Ductile to brittle transition in pipeline steels : Quantitative investigation of brittle out-of-plane cracking and correlation to microtexture anisotropy

Transition ductile-fragile des aciers pour gazoducs : Étude quantitative des ruptures fragiles hors plan et corrélation à l’anisotropie de microtexture

Franck Tankoua Yinga (1)

1 CDM - Centre des Matériaux

High toughness of pipeline steels at low temperature is required to avoid catastrophic propagation of brittle crack. The aim of the study is to improve physical understanding and quantitative assessment of the toughness behavior of hot-rolled pipeline steels, focusing on the lower part of the ductile to brittle transition temperature range.The impact toughness of these steels is commonly validated using drop weight tear tests (DWTT), on the basis of fracture surfaces that must exhibit less than 15% of brittle fracture appearance. In thermomechanical control processed steels, brittle out-of-plane cracks such as delamination (which propagates along the rolling plane), and brittle tilted fracture (BTF) along theta-planes (tilted around RD by 40° with respect to rolling plane), have been characterized in the ductile to brittle transition temperature range, for both industrial (DWTT) and laboratory Charpy impact tests. In both cases, as well as in fracture toughness tests, such brittle out-of-plane cracking has been shown to impair the impact toughness.The anisotropy in plastic flow and sensitivity to cleavage fracture has been characterized as a function of temperature, by using tensile tests on specifically designed smooth and notched specimens. From finite element mechanical analysis of these tests, critical cleavage stresses normal to the rolling plane and the theta-plane are considerably lower (around 25%) than for planes normal to the rolling and transverse directions.The anisotropy in critical cleavage stress has been quantitatively correlated to microtexture anisotropy. So-called “potential cleavage facets” have been defined and measured in this study, as regions with unfavorably oriented {100} planes, which are taken as unit crack paths for cleavage propagation. A sample containing 20% of potential cleavage facets had a critical cleavage stress 20% lower than a sample with only 10% of potential cleavage facets.The size and shape of these potential cleavage facets evolve during plastic deformation. Therefore, the critical cleavage stress was found to be affected by plastic strain history. In the case of delamination, potential cleavage facets along the rolling plane were elongated during loading, their area was increased and the corresponding critical cleavage stress decreased by around 30% with respect to the undeformed case. This made delamination cracking easier. Moreover, the presence of a ductile crack at the initiation site of delamination locally modified the stress state and also facilitated delamination occurrence. A criterion has been developed to numerically predict the onset of delamination in tensile and Charpy specimens.Application of this approach to heat-treated and to prestrained specimens eventually showed that it was possible to modify the sensitivity to delamination by strongly modifying the initial microtexture anisotropy.

La bonne ténacité des aciers pour gazoducs aux basses températures est nécessaire pour éviter la propagation de fissures de manière catastrophique. Cette étude vise à améliorer la compréhension physique et l'évaluation quantitative du comportement à rupture des aciers pour gazoducs laminés à chaud, en nous intéressant plus particulièrement aux températures au pied de la transition ductile-fragile .La résilience de ces aciers est généralement validée à l'aide d'essais dits drop weight tear tests (DWTT), après lesquels le faciès de rupture doit contenir moins de 15% de zone fragile. Pour les aciers mis en forme par laminage thermomécanique (TMCP), des ruptures fragiles hors plan, comme le délaminage (qui se propage dans le plan de laminage de la tôle), et la rupture fragile en biseau le long des plans dits thêta (inclinés de 40° autour de la direction de laminage par rapport au plan de laminage) apparaissent dans la transition ductile-fragile. Ces modes de rupture, observés lors des essais de résilience (DWTT, Charpy) et de ténacité (CT), affectent la résistance à la rupture de ces aciers.L'anisotropie de l'écoulement plastique, puis celle de la sensibilité à la rupture par clivage ont été caractérisées en fonction de la température, à l'aide d'essais de traction sur des éprouvettes lisses et entaillées conçues pour cette étude. L'analyse mécanique de ces essais à l'aide de calculs par éléments finis a permis de déterminer des contraintes critiques de clivage dans les directions perpendiculaires au plan de laminage et aux plans thêta. Les valeurs obtenues dans ces directions sont de 25% inférieures à celles correspondant aux directions de laminage et travers long.L'anisotropie de la contrainte critique de clivage a été quantitativement corrélée à l'anisotropie de microtexture du matériau. Des entités appelées « facettes de clivage potentielles » ont été définies et mesurées dans cette étude, comme des régions contenant un plan {100} défavorablement orienté et dans lesquelles les fissures de clivage se propagent sans être arrêtées. Par exemple, un plan contenant 20% de facettes de clivage potentielles aurait une contrainte critique de clivage de 20% moins élevée qu'un plan présentant seulement 10% de facettes de clivage potentielles.La taille et la forme de ces facettes de clivage potentielles évoluent avec la déformation plastique. Par conséquent, la contrainte critique de clivage est affectée par l'historique de déformation. Dans le cas du délaminage, les facettes de clivage potentielles s'allongent au cours d'un chargement dans la direction travers long, conduisant à une augmentation de leur taille effective et par conséquent à une diminution (qui peut atteindre 30%) de la contrainte critique de clivage dans le plan de la tôle. Cette diminution facilite in fine l'apparition du délaminage. De plus, la présence de micro-fissures ductiles facilite la rupture par délaminage en modifiant l'état de contrainte local. Un critère a ainsi été proposé pour prédire numériquement l'amorçage du délaminage dans des éprouvettes de traction et/ou de résilience Charpy.L'application de cette approche à des échantillons traités thermiquement et à des échantillons pré-déformés a montré que la sensibilité au délaminage pouvait être contrôlée en modifiant la texture locale initiale du matériau.

Mots clés: Anisotropy; Pipeline steels; Ductile to brittle transition; Delamination; Brittle tilted fracture

Mots clés: Délaminage; Rupture fragile en biseau; Anisotropie; Microtexture; Acier pour gazoducs; Transition ductile-Fragile

Domaines: Mécanique des matériaux [physics.class-ph]

Franck Tankoua Yinga. Transition ductile-fragile des aciers pour gazoducs : Étude quantitative des ruptures fragiles hors plan et corrélation à l’anisotropie de microtexture. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2015. Français. ⟨NNT : 2015ENMP0014⟩. ⟨tel-01212488⟩