Auzoux, Quentin (2004) Fissuration en relaxation des aciers inoxydables austénitiques - Influence de l'écrouissage sur l'endommagement intergranulaire. PhD thesis Sciences et Génie des Matériaux, ENSMP - Centre des Matériaux P.M. Fourt, ENSMP p.319.

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Abstract

La fissuration en relaxation se développe au voisinage de certaines soudures en acier inoxydable austénitique lorsque celles-ci sont réchauffées à des températures supérieures à 450 °C. Cet endommagement intergranulaire intervient lorsque les zones affectées ne possèdent pas une ductilité suffisante pour relaxer les contraintes résiduelles liées au soudage. L'analyse de zones affectées en acier 316 (17Cr-12Ni-2.5Mo) a montré que celles-ci étaient fortement écrouies lors du soudage et que les fissures intergranulaires résultaient de la coalescence de micro-cavités similaires à celles observées en fluage. Une microstructure équivalente à celle des zones affectées a été reproduite par laminage pour trois aciers de type 316 possédant des teneurs en carbone et en azote différentes (316L, 316L(N), 316H). Des essais de traction, de fluage et de relaxation ont été réalisés à 550°C et à 600°C sur des éprouvettes lisses, entaillées et pré-fissurées prélevées dans ces coupons laminés ainsi que dans des coupons vierges. L'écrouissage entraîne un fort durcissement lié à l'effet direct de l'augmentation de la densité de dislocations et une chute de la ductilité qui n'est pas due à un changement de mécanisme de rupture mais à une augmentation de la cinétique d'endommagement intergranulaire. Cette fragilisation par écrouissage est telle que l'on est parvenu à reproduire la propagation de fissure en relaxation sur matériau écroui alors qu'elle reste très limitée sur matériau vierge. L'importance de l'écrouissage sur la fissuration en relaxation, déjà évoquée par Chabaud-Reytier (1999) à propos d'un acier inoxydable stabilisé au titane de type 321 (18Cr-10Ni-0.5Ti), concerne donc également les aciers non stabilisés de type 316 quelle que soit leur teneur en éléments interstitiels. A partir de mesures de la densité locale de micro-fissures et de calculs des champs mécaniques par éléments finis, un nouveau modèle d'endommagement intergranulaire a été identifié sur des éprouvettes entaillées en acier 316L(N) testées en fluage à 600°C. Ce modèle permet de rendre compte de l'effet fragilisant de l'écrouissage, en fluage comme en relaxation, et met en évidence l'importance du taux de triaxialité des contraintes sur la cinétique de l'endommagement intergranulaire. Le risque de fissuration en relaxation au voisinage d'une soudure peut alors être estimé à partir des champs de contraintes et de déformations résiduelles.

Table of content

Introduction - 11

I Bibliographie - 13

I.1 Métallurgie structurale et déformation des aciers inoxydables austénitiques 13

I.1.1 Généralités - 13

I.1.1.1 Métallurgie structurale 13

I.1.1.2 Déformation 17

I.1.2 Précipitation des carbures et des carbo-nitrures - 18

I.1.2.1 Thermodynamique de la précipitation 18

I.1.2.2 Cinétique de la précipitation 20

I.1.3 Zones affectées par le soudage - 22

I.1.3.1 Recristallisation 22

I.1.3.2 Ecrouissage 22

I.1.3.3 Remise en solution et précipitation des carbures et des carbo-nitrures 24

I.1.3.4 Cinétique de restauration de l'écrouissage 26

I.1.4 Résumé du paragraphe I.1 - 28

I.2 Fissuration en relaxation des aciers inoxydables austénitiques 29

I.2.1 Expérience industrielle - 29

I.2.1.1 Identification de la fissuration en relaxation 29

I.2.1.2 Matériaux concernés et domaine de température 29

I.2.1.3 Facteurs influençant la fissuration en relaxation 31

I.2.1.4 Solutions proposées 32

I.2.2 Fissuration en relaxation des aciers stabilisés - 32

I.2.2.1 Reproduction de la fissuration en relaxation 32

I.2.2.2 Mécanismes proposés 34

I.2.3 Fissuration en relaxation des aciers non stabilisés - 37

I.2.3.1 Reproduction de la fissuration en relaxation 37

I.2.3.2 Ductilité en fluage des zones affectées 37

I.2.3.3 Mécanismes de fissuration 39

I.2.4 Résumé du paragraphe I.2 - 40

I.3 Fluage des aciers inoxydables austénitiques 41

I.3.1 Comportement - 41

I.3.1.1 Aciers testés à l'état hypertrempé 41

I.3.1.2 Aciers testés à l'état écroui 45

I.3.2 Endommagement et rupture - 52

I.3.2.1 Aciers testés à l'état hypertrempé 52

I.3.2.2 Aciers testés à l'état écroui 56

I.3.3 Fluage des aciers inoxydables austénitiques stabilisés - 63

I.3.3.1 Aciers testés à l'état hypertrempé 63

I.3.3.2 Aciers testés à l'état écroui 65

I.3.4 Résumé du paragraphe I.3 - 68

I.4 Conclusions 69

II Matériaux - 70

II.1 Composition chimique et état de réception 70

II.1.1 Acier 316L(N) à l'état de réception - 71

II.1.2 Acier 316H à l'état de réception - 72

II.1.3 Acier 316 L à l'état de réception - 75

II.1.4 Résumé du paragraphe II.1 - 75

II.2 Analyse de zones affectées réelles 76

II.2.1 Fissures et zones affectées en acier 316H - 76

II.2.1.1 Fissures de relaxation 76

II.2.1.2 Zones affectées 79

II.2.2 Zones affectées en acier 316L(N) et 316L - 82

II.2.2.1 Présentation des soudures étudiées 82

II.2.2.2 Ecrouissage des zones affectées 83

II.2.2.3 Etude thermique et interprétation 89

II.2.3 Résumé du paragraphe II.2 - 92

II.3 Analyse de zones affectées simulées 93

II.3.1 Traitement thermo-mécanique de simulation - 93

II.3.2 Zones affectées simulées non vieillies - 95

II.3.2.1 Taille de grains 95

II.3.2.2 Dureté 95

II.3.2.3 Microstructure de dislocations et précipitation 96

II.3.2.4 Représentativité des zones affectées simulées non vieillies 98

II.3.3 Zones affectées simulées vieillies - 99

II.3.3.1 Vieillissements de type fonctionnement en service 99

II.3.3.2 Vieillissement de type détensionnement des soudures 101

II.3.4 Résumé du paragraphe II.3 - 103

II.4 Conclusions 104

III Essais mécaniques et observations métallographiques - 105

III.1 Comportement mécanique 106

III.1.1 Essais de traction sur éprouvettes lisses - 106

III.1.1.1 Conditions expérimentales et remarques préliminaires 106

III.1.1.2 Effet de l'écrouissage par laminage 106

III.1.1.3 Effet de la vitesse de déformation 110

III.1.1.4 Effet du lieu et du sens de prélèvement des éprouvettes 111

III.1.1.5 Comparaison entre les différents aciers 112

III.1.2 Essais de fluage sur éprouvettes lisses - 113

III.1.2.1 Conditions expérimentales et remarques préliminaires 113

III.1.2.2 Mise en charge 113

III.1.2.3 Effet de l'écrouissage par laminage 114

III.1.2.4 Comparaison des différents aciers 117

III.1.3 Essais de relaxation sur éprouvettes lisses - 118

III.1.3.1 Conditions expérimentales et remarques préliminaires 118

III.1.3.2 Mises en charge 118

III.1.3.3 Relaxation 120

III.1.4 Mécanismes de déformation - 124

III.1.5 Résumé du paragraphe III.1 - 126

III.2 Endommagement et rupture 127

III.2.1 Essais de relaxation sur éprouvettes CT - 127

III.2.1.1 Conditions expérimentales et remarques préliminaires 127

III.2.1.2 Reproduction de la fissuration en relaxation 128

III.2.1.3 Comparaison entre l'état écroui et l'état hypertrempé 134

III.2.1.4 Effet d'un pré-vieillissement 136

III.2.2 Essais de traction et de fluage sur éprouvettes lisses - 137

III.2.2.1 Mesures 137

III.2.2.2 Observations 143

III.2.3 Essais de fluage sur éprouvettes entaillées - 152

III.2.3.1 Conditions expérimentales et remarques préliminaires 152

III.2.3.2 Mesures 153

III.2.3.3 Observations 157

III.2.4 Essais de traction lente sur éprouvettes CT - 162

III.2.4.1 Conditions expérimentales et remarques préliminaires 162

III.2.4.2 Mesures 163

III.2.4.3 Observations 169

III.2.5 Résumé du paragraphe III.2 - 175

III.3 Conclusions 176

IV Discussion - 177

IV.1 Endommagement intergranulaire 177

IV.1.1 Transition de mécanisme d'endommagement avec la vitesse de déformation et la température177

IV.1.2 Effet de l'écrouissage sur l'endommagement intergranulaire - 181

IV.1.2.1 Aspects théoriques de l'endommagement intergranulaire 181

IV.1.2.2 Fragilisation par écrouissage 184

IV.1.3 Effet du taux de triaxialité des contraintes - 189

IV.1.4 Effet de la température - 191

IV.1.5 Autres paramètres - 192

IV.1.6 Résumé du paragraphe IV.1 - 192

IV.2 Mécanismes de fissuration en relaxation des aciers inoxydables austénitiques 193

IV.2.1 Mécanisme de fissuration en relaxation des aciers non stabilisés - 193

IV.2.2 Comparaison entre les aciers stabilisés et les aciers non stabilisés - 196

IV.2.3 Résumé du paragraphe IV.2 - 197

IV.3 Conclusions 198

V Modélisation - 199

V.1 Modélisation du comportement 200

V.1.1 Présentation du modèle à deux déformations inélastiques - 200

V.1.1.1 Hypothèses simplificatrices 200

V.1.1.2 Présentation du modèle simplifié 201

V.1.2 Identification et validation des paramètres du modèle - 202

V.1.2.1 Démarche suivie 202

V.1.2.2 Acier 316L(N) à l'état hypertrempé 205

V.1.2.3 Acier 316L(N) à l'état écroui 212

V.1.3 Résumé du paragraphe V.1 - 219

V.2 Modélisation de l'endommagement intergranulaire 220

V.2.1 Définition du modèle d'endommagement intergranulaire - 220

V.2.1.1 Formulation générale 220

V.2.1.2 Méthode de mesure de l'endommagement 224

V.2.2 Identification des paramètres du modèle - 228

V.2.2.1 Stratégie d'identification 228

V.2.2.2 Identification sur l'état écroui 228

V.2.2.3 Identification sur l'état hypertrempé 238

V.2.3 Résumé du paragraphe V.2 - 249

V.3 Application du modèle d'endommagement 250

V.3.1 Essais sur éprouvettes lisses et calculs analytiques sur élément de volume - 250

V.3.1.1 Acier 316L(N) à l'état écroui 250

V.3.1.2 Acier 316L(N) à l'état hypertrempé 252

V.3.2 Essais sur éprouvette CT - 254

V.3.2.2 Essais de traction lente 259

V.3.2.3 Conclusions 262

V.3.3 Résumé du paragraphe V.3 - 262

V.4 Conclusions 263

VI Conclusions et perspectives - 264

VI.1 Conclusions 264

VI.2 Perspectives 266

VI.2.1 Perspectives d'application - 266

VI.2.2 Perspectives d'amélioration - 266

VI.2.3 Nouvelles directions de recherche - 266

VII Références - 267

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