Modélisation de l’écoulement en fluage du joint soudé en acier Grade 92

Pour évaluer le comportement en fluage du joint soudé, une approche multi-matériau a été utilisée. Elle consiste à supposer que le joint soudé est constitué de plusieurs zones de comportements différents. Les modèles de comportements viscoplastique du métal de base, de la zone adoucie et de la zone fondue, déterminés séparément, sont introduits dans un calcul par éléments finis multi-matériaux grâce au logiciel ZeBuLoN. Une éprouvette comportant plusieurs matériaux est modélisée. Plusieurs auteurs ont mis en application cette démarche pour modéliser le comportement en fluage d’un joint soudé en acier Grade 91 *Gaffard, 2005, Hyde et al., 2001, Eggeler, 1994]. L’utilisation de cette méthode permet de tenir compte de l’hétérogénéité de comportement dans le joint soudé et des effets liés à la géométrie du joint et des différentes zones. Ces effets peuvent en outre être quantifiés. Néanmoins, la mise en application de cette méthode requiert au préalable une longue campagne expérimentale.

Effet attendu de l’hétérogénéité de résistance au fluage sur les champs de déformations et de contraintes

Dans cette partie, les effets de la différence de propriétés en fluage entre le métal de base, la zone adoucie et la zone fondue sont évalués. Ils n’ont pas été quantifiés dans le cadre de ces travaux mais ont été étudiés par Gaffard [Gaffard, 2007]. Les principales conclusions de son étude sont rappelées dans cette partie. L’évaluation de ces effets permettra ensuite de mieux appréhender le comportement en fluage du joint soudé. Une telle hétérogénéité est à l’origine d’une redistribution des contraintes et des déformations dans l’éprouvette et créée alors un état de contraintes multiaxial. Gaffard *Gaffard, 2007+ a étudié les effets de cette hétérogénéité de propriétés et des paramètres géométriques sur la redistribution des contraintes et des déformations. Les calculs ont été faits sur la base du comportement en fluage du métal de base et de la zone adoucie à 625°C. Dans ce cas particulier, le comportement de la zone fondue était similaire à celui du métal de base. Pour cette étude, Gaffard a réalisé des calculs par éléments finis sur un modèle en 2 dimensions. Il a modélisé une éprouvette axisymétrique comportant trois matériaux en série, un matériau plus mou (à mi-longueur) entouré par deux matériaux plus durs et un matériau dur entouré de deux matériaux plus mous. Il a relevé l’évolution de la contrainte de von Mises, de la déformation viscoplastique cumulée et du taux de triaxialité dans les différentes zones. Il a également fait varier le diamètre de la zone intermédiaire, ainsi que son épaisseur. Les résultats de ces simulations fournissent les éléments suivants :  Le taux de triaxialité des contraintes est maximal dans le matériau le plus mou.  La contrainte de von Mises atteint sa valeur maximale dans le matériau le plus dur, au niveau des interfaces entre les deux types de matériaux.  La déformation en fluage s’est localisée dans la zone la plus molle. Modélisation de l’écoulement en fluage du joint soudé en acier Grade 92 283  Diminuer l’épaisseur de la zone molle ou augmenter son diamètre ont des effets similaires sur les redistributions des contraintes et des déformations, le paramètre pertinent étant le rapport entre le diamètre et l’épaisseur. Dans ce modèle simplifié, les seules différences de propriétés mécaniques sont à l’origine d’un confinement de la zone molle. 

Procédure numérique

La longueur de la zone utile des éprouvettes de fluage « travers joint » utilisées est de 40 mm. Les éprouvettes sont prélevées à mi-épaisseur. A cet endroit, on simplifiera la géométrie du joint en supposant celui-ci axisymétrique (ligne de fusion perpendiculaire à l’axe de l’éprouvette). Gaffard *Gaffard 2005+ a en effet montré que l’inclinaison de la ligne de fusion avait un effet du second ordre sur le confinement de la déformation viscoplastique dans la zone la plus molle. Un calcul par éléments finis sur un modèle en 2 dimensions (axisymétriques), incluant les conditions de symétrie a donc été réalisé à l’aide du logiciel ZeBuLoN. Les éléments du maillage sont linéaires, de dimensions 0,4 * 0,25 mm², à intégration complète. Ce modèle présente une symétrie selon le plan médian, il est donc réduit à un quart de l’éprouvette. Les conditions aux limites sont : – blocage des déplacements selon x, le long de l’axe de révolution de l’éprouvette – blocage des déplacements selon y, le long du plan de symétrie de l’éprouvette (face horizontale du bas). L’éprouvette modélisée comporte plusieurs matériaux, correspondant aux différentes zones du joint soudé : la zone fondue, la CGHAZ, la FGHAZ, l’ICHAZ, la TMAZ et le métal de base. Les épaisseurs de ces différentes zones sont évaluées grâce au profil de dureté et aux observations macrographiques du joint soudé. Elles sont considérées comme paramètres du modèle. Le schéma d’intégration est implicite. Le modèle par éléments finis de l’éprouvette est présenté sur la Figure 4-103