Modélisation par éléments finis du soudage des aciers 13Cr-4Ni en présence de transformations de phases

Lévesque, Jean-Benoît (2026). Modélisation par éléments finis du soudage des aciers 13Cr-4Ni en présence de transformations de phases. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce document traite de la simulation du procédé de soudage dans les aciers inoxydables martensitiques 13Cr-4Ni (CA6NM) en intégrant les transformations de phases. Ces transformations doivent être prises en compte lors de la simulation des aciers 13Cr-4Ni utilisés dans la fabrication des turbines, car ces matériaux subissent des transitions de phases austénitique et martensitique et présentent un phénomène de plasticité induite par la transformation.

Les travaux traitent de la caractérisation des propriétés thermophysiques et mécaniques de l’acier S41500 et du métal d’apport E410NiMo. Ces caractérisations interviennent à plusieurs niveaux. D’abord elles sont nécessaires pour alimenter le logiciel de simulation avec les propriétés des matériaux. Elles sont également utilisées, en particulier les essais dilatométriques, pour déterminer les paramètres des matériaux nécessaires à la modélisation des cinétiques des transformations de phases lors du soudage. À cet effet, l’utilisation d’un dilatomètre de trempe permet d’obtenir des historiques thermiques semblables à ceux rencontrés lors du soudage. Les essais dilatométriques sont utilisés pour calibrer les modèles de transformation de phases diffusives de type JMAK et displacives de type Koistinen-Marburger. La mesure dilatométrique est aussi utilisée pour caractériser la plasticité de transformation. Une configuration particulière du dilatomètre de trempe permet la mesure de la déformation durant la transformation martensitique sous l’application d’une contrainte.

L’algorithme de simulation intégrant ces phénomènes des matériaux est présenté. L’expression du module tangent nécessaire à l’évaluation de la consolidation du matériau lors des transformations de phases est développée. La simulation thermique du soudage d’une plaque instrumentée de thermocouples, permettant le calcul précis des distributions de chaleur et l’évolution des fractions transformées en tout point du modèle est présentée. Les mesures expérimentales nécessaires pour la validation sont présentées.

Titre traduit

Finite element modeling of welding in 13Cr-4Ni steels considering phase transformations

Résumé traduit

This thesis focuses on the simulation of the welding process in 13Cr-4Ni (CA6NM) martensitic stainless steels by incorporating phase transformations. These transformations must be considered when simulating 13Cr-4Ni steels, used in turbine manufacturing, since they undergo both austenitic and martensitic phase transformations and exhibit transformation-induced plasticity during the martensitic transformation.

The work addresses the characterization of the thermophysical and mechanical properties of S41500 steel and E410NiMo filler metal. These characterizations serve multiple purposes : first, they provide the material properties required for the simulation software; second, they are used, in particular the dilatometric tests, to determine the parameters of phase transformation kinetics models during welding. For this purpose, a quenching dilatometer is employed to reproduce thermal histories similar to those encountered during welding. Dilatometric tests are used to calibrate diffusive transformation models of the JMAK type and displacive transformation models of the Koistinen-Marburger type. Dilatometry is also used to characterize transformation-induced plasticity. A specific configuration of the quenching dilatometer enables measurement of deformation during martensitic transformation under applied stress.

The simulation algorithm integrating these material phenomena is presented. The expression of the tangent modulus required to evaluate material hardening during phase transformations is developed. Thermal simulation of welding on an instrumented plate with thermocouples is described, allowing accurate calculation of heat distribution and the evolution of transformed fractions at every point in the model. The experimental measurements required for validation are also presented.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 167-175).
Mots-clés libres:	simulation du soudage, transformations de phases, plasticité de transformation, mesure dilatométrique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Champliaud, Henri
Codirecteur:	Codirecteur Lanteigne, Jacques
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	04 mars 2026 19:38
Dernière modification:	04 mars 2026 19:38
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3827

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