Modélisation du contrôle ultrasonore des aciers inoxydables austénoferritiques moulés
Modeling of ultrasonic testing of cast austenoferritic stainless steels
Résumé
Cast austenitic-ferritic stainless steels, also known as duplex steels, are used in piping nuclear reactor primary circuits due to their mechanical properties and corrosion resistance. During ultrasonic non-destructive testing, the microstructures of these materials—biphasic, complex, and coarse-grained—result in ultrasonic wave scattering, causing significant attenuation and high structural noise, which reduces the quality of ultrasonic inspections.
This thesis aims to simulate the propagation of ultrasound in polycrystalline metals with complex structures and to analyze the interactions between ultrasonic waves and the microstructures of duplex steels. The study begins with a detailed microstructural characterization of various samples, providing quantitative data on the morphology and crystallography of the microstructural elements. This analysis enabled the establishment of a hierarchical decomposition of the microstructure.
A numerical method was then implemented to generate Representative Elementary Volumes (REV) of the different samples from the measured microstructural data. Experimental ultrasonic measurements were performed on these same samples at different frequencies. The synthetic microstructures, validated by comparison with metallurgical characterizations, were used as propagation media for ultrasound in various numerical models (finite element and semi-analytical models) and configurations replicating the experimental measurements. Using the different models, the numerical results show excellent agreement with experimental measurements at various frequencies concerning the average decay of back-wall echoes. A notable result demonstrates that accounting for different numerical microstructures allows for reproducing the statistical dispersion of the examined echoes in amplitude and apparent time of flight.
Les aciers inoxydables austénoferritiques moulés, appelés aussi aciers duplex, sont utilisés dans les tuyauteries du circuit primaire des réacteurs nucléaires en raison de leurs propriétés mécaniques et de leur résistance à la corrosion. Lors des contrôles non destructifs par ultrasons, les microstructures de ces matériaux - biphasiques, complexes et à gros grains - entraînent une diffusion des ondes ultrasonores, impliquant une atténuation importante et un bruit de structure élevé qui limitent les performances des inspections par ultrasons.Cette thèse a pour objectif de simuler la propagation des ultrasons de métaux polycristallins à structures complexes et analyser les interactions entre les ondes ultrasonores et les microstructures des aciers duplex. L'étude commence par une caractérisation microstructurales détaillée de différents échantillons permettant d'obtenir des données quantitatives, sur la morphologie et la cristallographie des éléments de la microstructure. Cette analyse a permis d'établir une décomposition hiérarchique de la microstructure. Une méthode numérique a ensuite été implémentée pour générer, à partir des données microstructurales mesurées, des Volumes Elémentaires Représentatifs (VER) des différents échantillons. Des mesures expérimentales par ultrasons ont été réalisées sur ces mêmes échantillons à différentes fréquences. Les microstructures synthétiques, validées par comparaison aux caractérisations métallurgiques, ont été utilisées comme milieu de propagation pour les ultrasons dans différents modèles numériques (Eléments finis et modèles semi-analytique), et dans des configurations reproduisant les mesures expérimentales. Les résultats numériques, avec les différents modèles, montrent un excellent accord avec les mesures expérimentales à différentes fréquences, sur la décroissance moyenne d'écho de fond de pièce. Un résultat remarquable montre notamment que la prise en compte de différentes microstructures numériques permet de reproduire la dispersion statistique des échos examinés aussi bien sur l'amplitude que sur le temps de vol apparent des échos.
Mots clés
Duplex stainless steels
Microstructure
Multi-scale
Scattering
Coherent wave
Attenuation
nuclear reactor primary circuit
corrosion resistance
ultrasound
non-destructive testing
simulation
modelling
material characterisation
microstructural characterization
metallurgical characterization
finite element method
semi-analytical model
experimental measurement
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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