Étude de la fragilisation des aciers T91 et 316L par l'eutectique plomb-bismuth liquide

Study of embriittlement of T91 and 316L steels by liquid lead-bismuth eutectic

• Auteur / Autrice : Zehoua Hamouche
• Direction : Ivan Guillot, Thierry Auger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 25/01/2008
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie, Matériaux, Modélisation et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 1994-2009)
• Jury : Président / Présidente : Eric Andrieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivan Guillot, Thierry Auger, Eric Andrieu, Jean-Bernard Vogt, Xavier Feaugas, Dominique Gorse, Friedrich Groeschel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Bernard Vogt, Xavier Feaugas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier austénitique

Acier martensitique

Métaux liquides

Mots clés libres

Fragilisation par les métaux liquides

Rupture fragile

Transition fragile-ductile

Acier martensitique T91

Acier austénitique 316L

Liquid metal embrittlement

Brittle fracture

Brittle-ductile transition

T91 martensitic steel

316L austenitic steel

Résumé

L'objectif de cette étude est d'aboutir à une meilleure compréhension de la fragilisation par les métaux liquides (FML) à travers l'étude des systèmes T91/Pb-Bi et 316L/Pb-Bi et notamment d'en établir les mécanismes mis en jeu lors du contact entre ces aciers sous tension et le métal liquide. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet MEGAPIE-TEST mis en place pour étudier la faisabilité d'une cible de spallation au plomb-bismuth liquide. L'effet de l'eutectique plomb-bismuth liquide sur le T91 et le 316L a été étudié en fonction de la température et de la vitesse de déformation, en utilisant des éprouvettes CCT adaptées à l'étude de propagation de fissures. La présence de Pb-Bi modifie le mécanisme de rupture du T91 au détriment de la germination, croissance et coalescence des cavités. La rupture procède alors par décohésion des bandes de cisaillement. L'effet fragilisant du Pb-Bi est très marqué aux très faibles vitesses de déformation. Une transition fragile-ductile se produit aux grandes vitesses de déformation (~10-5 m.s-1 à 160°C). Les propriétés mécaniques du 316L ne sont pas autant affectées par la présence de Pb-Bi, toutefois une transition réelle est observée sur les faciès de rupture, où là également il y a compétition entre l'effet fragilisant du métal liquide et la rupture ductile. Le mécanisme suggéré dans ce travail est fondé sur la localisation de la déformation en pointe de la fissure combinée au phénomène de réduction d'énergie de surface induite par adsorption de métal liquide (effet Rebinder) et ne fait intervenir aucun processus diffusionnel en particulier aux joints de grains.

The aim of this work is to study liquid metal embrittlement (LME) on the T91/Pb-Bi and 316L/Pb-Bi systems. A particular attention is paid to obtain a better understanding of the mechanisms of fracture when steels are in contact with liquid metal. This work has been performed within the European projects MEGAPIE-TEST and EUROTRANS which aim to prove the feasibility of lead-bismuth nuclear systems such as spallation target and subcritical reactors. The effect of liquid Lead Bismuth Eutectic (LBE) on 316L and T91 steels has been studied in plane stress conditions as a function of temperature and strain rate, using a CCT geometry adapted for the study of crack propagation. The presence of LBE modifies the fracture mechanism of T91 and prevents fracture by growth and coalescence of cavities. Cracking proceeds by shear band decohesion. This embrittlement effect is very pronounced at low deformation rate whereas at the high strain rate range investigated, a brittle to ductile transition is observed. The temperature variation of the transition rules out LME mechanisms based on dissolution. A fracture mechanics analysis by the J-µa methodology allowed the quantification of the embrittlement degree which is estimated to 30% reduction in the energy required for crack propagation. The mechanical properties of the 316L steel are weakly affected by the presence of LBE, in spite of a change in the plastic deformation at the highest triaxiality point which strongly affecting fracture surfaces. The mechanism of this embrittlement seems to be based on the deformation localization at the crack tip combined with the phenomenon of surface energy reduction induced by the liquid metal adsorption. It does not involve any diffusion process. The deformation localization is confirmed by an electron microscopy study of the crack tip plasticity of 316L under the influence of a liquid metal.