Fissuration en relaxation des aciers inoxydables austénitiques de type AISI 316L

par Harry Pommier

Thèse de doctorat en Science des Métiers de l'Ingénieur

Sous la direction de Esteban Busso.

Soutenue le 14-12-2015

à Paris, ENMP , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Véronique Doquet.

Le jury était composé de Quentin Auzoux, Sophie Dubiez- Le Goff, Thilo F. Morgeneyer, André Pineau.

Les rapporteurs étaient Noel P. O'dowd, Peter E. J. Flewitt.


  • Résumé

    La fissuration en relaxation (FER) peut apparaître dans les zones affectées par la chaleur de larges pièces soudées pendant leur utilisation entre 500 et 700°C. Il est admis que ce phénomène est induit par la relaxation à haute température de champs de contraintes résiduelles initialement introduits lors du soudage. L'objectif de ce travail est d'identifier, dans les aciers de type AISI 316L, les caractéristiques de ce type de matériaux, ainsi que les forces motrices, responsables du développement de la fissuration en relaxation.La méthodologie proposée consiste à reproduire les conditions de la FER dans cinq aciers de type AISI 316L de compositions chimiques différentes en utilisant des éprouvettes de type « Compact Tension » (CT) pré-comprimées. L'étude des éprouvettes à l'aide du MEB, de l'EBSD, du MET et de la tomographie X a révélé que de l'endommagement intergranulaire s'était développé dans quelques une d'entre elles. Le niveau d'endommagement mesuré dans chaque éprouvette dépend de la nuance de l'acier, de la température et de la durée d'exposition thermique, et du rayon d'entaille.Ce travail implique également la prédiction numérique des champs de déformations et de contraintes résiduelles dans les éprouvettes à l'aide d'une nouvelle loi de comportement viscoplastique à variables internes. La comparaison entre les champs de contraintes résiduelles prédits dans les éprouvettes de type CT et les distributions d'endommagement mesuré par tomographie a permis de déduire le niveau de contrainte résiduelle critique nécessaire pour l'initiation de la FER. Finalement, les distributions d'endommagement mesurées expérimentalement ont pu être correctement prédites numériquement avec une loi phénoménologique d'endommagement scalaire alimentée par les prédictions du modèle de comportement viscoplastique.

  • Titre traduit

    Stress relaxation cracking in AISI 316L-type austenitic stainless steels


  • Résumé

    Stress relaxation cracking can potentially be found in the heat affected zone of large welded parts after service in the 500-700°C temperature range. This phenomenon, known as reheat cracking (RC), is driven by the high temperature relaxation of residual stress fields initially introduced during welding. The main objective of this doctoral thesis is to identify the material and microstructural characteristics as well as the driving forces responsible for RC damage development in AISI 316L-type austenitic stainless steels.The proposed methodology relies on the reproduction of RC conditions in five chemically different AISI 316L-type steels using pre-compressed CT-like specimens. Subsequent investigation using SEM, EBSD, TEM and X-ray tomography revealed that intergranular damage had developed in some of the specimens. The extent of damage was found to depend on the steel grade, the temperature and duration of the thermal exposure, and the notch radius.The numerical investigation of the local residual stress and strain fields in the specimens was carried out using a novel internal state variable-based viscoplastic constitutive model. A comparison between the predicted residual stress fields in the CT-like specimens and the intergranular damage distributions measured by X-ray tomography enabled the threshold level of local residual stresses associated with the initiation of stress relaxation microcracks to be inferred. Finally, the distribution of the measured local RC damage was modelled numerically by explicitly linking a suitable phenomenological scalar damage law with the above constitutive model. The corresponding results were found to be consistent with the observed damage distributions.


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