Simulation numérique et étude expérimentale du fluage de l'acier Grade 91 à haute température

Numerical and experimental study of creep of Grade 91 steel at high temperature

• Auteur / Autrice : Rattanak Lim
• Direction : Maxime Sauzay, Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Acier

Matériaux -- Fluage

Résumé

L'acier grade 91 serait un candidat approprié pour des éléments de structures du circuit secondaire et du générateur de vapeur des réacteurs nucléaires de génération IV. Leur durée de vie sera prolongée jusqu'à 60 ans. Cela nécessite de considérer les mécanismes actifs durant de très longs temps de fluage afin de proposer des prédictions de durées de vie plus fiable que de simples extrapolations. La striction est le mécanisme de ruine principal pour des durées de vie jusqu'à 160 kh à 500°C et 94 kh à 600°C. Une simulation de la striction tenant compte de l'adoucissement du matériau conduit à deux lois de bornes qui encadrent les durées de vie expérimentales d'un grand nombre d'aciers martensitiques revenus jusqu'à 200 kh à température 500-700°C. Des cavités intergranulaires observées en FEG-SEM à deux durées de vie longues affectent faiblement la vitesse de déformation. Une prédiction du développement des cavités permettrait d'extrapoler les durées de vie hors du domaine expérimental. Leur germination et croissance, supposées associées à la diffusion des lacunes, sont modélisées grâce à deux modèles classiques. Le premier tient compte d'une germination instantanée (Raj et Ashby) et le second d'une germination continue - Dyson. Le second, plus stable par rapport à ses paramètres que le premier, conduit à des prédictions des tailles finales de cavités en accord raisonnable avec les mesures en FEG-SEM. La vitesse de germination identifiée expérimentalement est requise dans ce modèle. La germination continue des cavités par diffusion est modélisée grâce au modèle classique de Raj. Ce modèle ne permet pas des prédictions de densité de cavités en accord avec les mesures, même en tenant compte de la germination aux interfaces matrice / précipités, observée au MEB-FEG et d'un facteur maximal de concentration de contrainte locale de 2. Ce dernier a été obtenu grâce à des calculs par éléments finis en déformations planes du fluage de microstructures simulées ou réelles, comprenant des points triples ou des précipités/phases de Laves. L'utilisation de la loi de germination de Dyson permet de proposer des prédictions au-delà de 200kh. La durée de vie prédite par le modèle de Riedel d'un essai à basse contrainte semble être en accord avec la durée expérimentale estimée de l'essai (toujours en cours) et actuellement en stade tertiaire, basée sur la fraction de la durée de vie habituellement consommée par le stade tertiaire.

Grade 91 steel is a suitable candidate for structural components of the secondary and the vapour of generation IV nuclear reactors. Their in-service lifetime will last for 60 years. It is necessary to consider the mechanisms involved during long-term creep to propose reliable predictions of creep lifetimes. Necking is the main failure mode for creep lifetimes up to 160 kh at 500°C and 94 kh at 600°C. Necking modelling including the material creep softening leads to two bound equations including experimental lifetimes of a large number of tempered martensitic steels loaded up to 200 kh at temperature 500-700°C. The observed creep intergranular cavities are shown to affect very weekly creep strain rate. The prediction of the cavity evolution will allow estimating creep lifetimes out of experimental data domain. Their nucleation and growth, supposed to be associated to vacancy diffusion, are modelled using two classical models. The first one considers instantaneous nucleation (Raj and Ashby) and the second one continuous nucleation obeying the Dyson law (Riedel). The second one leads to two bound equations, more stable with respect to the parameter values. It allows predicting final size of cavities in reasonable agreement with measured ones. Yet, the nucleation rate should still be estimated from measured cavity densities. Nucleation of cavities by diffusion is simulated using the Raj model. This model does not allow predicted final cavity densities in agreement with the measured ones, even by considering cavity nucleation at precipitates/ Laves interfaces experimentally observed and the maximum local stress concentration of a factor 2 computed using finite element calculation in a 2D plane strain hypothesis based on either simulated or real microstructures containing triple points or precipitates/Laves phases. The use of the Dyson model allows us to propose predictions of long-term creep lifetimes. Lifetime predicted using the diffusion-induced growth model of one creep test under low stress still in progress is approximately in agreement with the experimental lifetime estimated based on the fraction of tertiary stage