Understanding and modelling of mechanisms and geometry effects in the lower shelf of ductile to brittle transition region

Cette thèse a pour objectif principal d’étudier l’effet de la température et de la géométrie sur la ténacité d’un acier ferritique dans la partie basse de la zone de transition ductile-fragile. Ce travail propose de modéliser les mécanismes de rupture observés dans cette zone à l’aide d’une approche locale de rupture. Bien que conformément à l’expérience, la rupture dans la zone de transition résulte d’un couplage entre la rupture fragile et la rupture ductile, la présente thèse se consacre principalement à l’étude du bas de la zone de transition dans laquelle le mécanisme de rupture est principalement fragile. Une étude expérimentale du matériau, un acier ferritique 18MND5, est tout d’abord effectuée. Une base expérimentale, s’appuyant en partie sur des essais existants, a été construite afin de disposer, à différentes températures, d’essais sur des éprouvettes non fissurées et sur des éprouvettes fissurées. Les éprouvettes non fissurées (TC et AE) sont utilisées pour l’étude du comportement élasto-plastique tandis que les éprouvettes fissurées (CT et SENT) sont utilisées pour étudier le comportement à rupture. Une étude fractographique au MEB des faciès de rupture permet dans un premier temps de décrire les mécanismes de rupture en fonction de la géométrie et de la température et dans un deuxième temps, de distinguer les éprouvettes purement fragiles des éprouvettes qui ont une certaine avancée ductile de la fissure. Ensuite, à partir des résultats des observations précédentes, la plasticité et la rupture fragile du matériau sont modélisées. Une nouvelle méthodologie du calcul de la contrainte de Weibull permettant de s’assurer que celle-ci est correctement évaluée est proposée. En particulier, on vérifie que le calcul est convergé en maillage et on filtre les fortes fluctuations de contrainte. Le clivage est décrit à l’aide d’une version modifiée du modèle de Beremin qui permet de prendre en compte l’effet de la déformation plastique sur la contrainte de Weibull. Cette formulation permet d’identifier, à une température donnée, un jeu de paramètre unique pour modéliser la probabilité de rupture sur différentes géométries (CT d’épaisseurs différentes et SENT). Par contre, les paramètres identifiés dépendent de la température. En complément, la thèse a aussi été l’occasion d’initier un travail sur l’endommagement ductile dans la transition tant au niveau de la base expérimentale construite, qui couvre l’ensemble de la zone de transition, qu’au niveau de modélisation de l’endommagement ductile avec l’identification des paramètres du modèle non local GTN sur les éprouvettes axisymétriques. Ces travaux pourront constituer un point de départ pour une modélisation futur du couplage entre la rupture ductile et fragile dans la transition.The main goal of this thesis is to study the effect of temperature and geometry on the toughness of a ferritic steel in the lower part of the brittle to ductile transition zone. This work proposes to model the failure mechanisms observed in this zone using a local approach to failure. Although, according to experimental evidences, fracture in the transition zone results from a coupling between brittle and ductile fracture, the present thesis is mainly focused on the study of the lower part of the transition zone in which the fracture mechanism is mainly brittle. An experimental study of the material, a ferritic 18MND5 steel, is first proposed. An experimental database, consisting partially of existing tests was carried in order to have, at different temperatures, tests on uncracked specimens (TC and AE) mainly used for the study of elasto-plastic behaviour and tests on cracked specimens (CT and SENT) to study the fracture behaviour. A fractographic SEM study of the fracture surfaces allows, firstly, to describe the fracture mechanisms as a function of geometry and temperature and, secondly, to distinguish purely brittle specimens from specimens with ductile crack advance. Based on the results of the previous observations, plasticity and brittle fracture of the material are modelled. A new methodology for Weibull stress computation is proposed so as to ensure that it is correctly evaluated. Particularly, it is verified that Weibull computation is converged with respect to the mesh size. A procedure is proposed to filter out strong stress fluctuations. Cleavage is described using a modified version of Beremin's model which takes into account the effect of plastic strains on the Weibull stress. This formulation allows fitting, at a given temperature, of a unique set of parameters to model the fracture probabilities on different geometries (CT of different thicknesses and SENT). The fitted parameters are temperature dependent. In addition, the thesis also provided the opportunity to initiate the modeling of ductile failure in the transition. This includes the construction of a relevant experimental database which now covers the entire transition zone and the use of a non-local GTN type model which is fitted on axisymmetric notched bars. This work could constitute a starting point for future modelling of the coupling between ductile and brittle fracture in the transition