Audrey Somera (ASNR, Cadarache)

Simulation d’essais de ténacité mini-C(T) dans le domaine de transition ductile-fragile à partir d’une approche zone cohésive : application aux aciers de cuves de réacteurs

Depuis le début des programmes nucléaires en Europe, des programmes de surveillance ont été mis en place pour contrôler la fragilisation des cuves de réacteur au fil de leur exploitation : des éprouvettes Charpy sont occasionnellement extraites de capsules dédiées pour être testées. Il est désormais envisagé d'utiliser des éprouvettes mini-C(T), permettant ainsi de réutiliser les éprouvettes Charpy déjà testées et de réaliser des mesures directes de la ténacité. Il faut toutefois s'assurer de la pertinence de l'utilisation d'éprouvettes miniatures pour évaluer les propriétés mécaniques souhaitées. Les simulations numériques peuvent aider à évaluer cette pertinence, à condition qu'elles soient représentatives du comportement de l'acier considéré dans le domaine de transition ductile-fragile.

L'objectif de cette étude est de simuler la propagation de fissures lors d'essais de rupture sur des éprouvettes mini-C(T), afin de pouvoir prédire la ténacité de l'acier des cuves de réacteur dans le domaine de transition ductile-fragile. L'une des particularités de ce domaine est qu'on y observe non seulement une forte variation de la ténacité moyenne du matériau avec la température, mais également une grande variabilité dans les ténacités mesurées à température d’essai donnée. Une description complète de la transition ductile-fragile nécessite de pouvoir reproduire cette variabilité. Un modèle de zones cohésives unifié est donc utilisé pour modéliser la propagation de la fissure. La calibration des paramètres cohésifs s’est faite en modifiant la méthode proposée par Chakraborty et Bulent Biner en 2014 [1] afin d’être adaptée aux données expérimentales à disposition. L’évolution des paramètres cohésifs avec la probabilité de rupture et la température d’essai est calibré à partir d’essais à basse température et de la température de référence telle que définie par l’approche « courbe maîtresse » [2,3].

Des simulations ont été faites pour différentes températures dans le domaine de transition ductile-fragile et pour différentes probabilités de rupture. Dans chaque cas la ténacité associée a été calculée et comparée à la valeur donnée par l’approche courbe maîtresse. Une très bonne concordance a été observée.

[1] P. Chakraborty, S. Bulent Biner. A unified cohesive zone approach to model the ductile to brittle transition of fracture toughness in reactor pressure vessel steels, Engineering Fracture Mechanics, 131, 194-209, 2014.

[2] K. Wallin, K. The master curve method: a new concept for brittle fracture. International Journal of Materials and Product Technology, 14(2-4), 342-354, 1999.

[3] ASTM E1921-20. Determination of Reference Temperature, To, for Ferritic Steels in the Transition Range, American Society for Testing and Materials, 2020.