Effets d'environnement sur la fatigue de l'acier inoxydable 304L en milieu primaire REP sous chargement cyclique

Environmental effect on cracking of an 304L austenitic stainless steels in PWR primary environtment under cyclic loading

• Auteur / Autrice : Nicolas Huin
• Direction : José Méndez, Gilbert Hénaff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 19/02/2013
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : David Delafosse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Couvant, André Lefrancois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Yves Buffière, Jean-Marc Olive

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déformations (mécanique)

Écrouissage

Matériaux -- Fissuration

Acier inoxydable austénitique

Acier inoxydable -- Fatigue

Mots clés libres

Oxydation en milieu primaire REP

Fatigue environnementale

Oxidation in REP primary medium

Environmental fatigue

Résumé

La présente étude a donc été entreprise afin d'obtenir de nouvelles informations sur les mécanismes de fissuration d’un acier inoxydable 304L en milieu primaire REP en fatigue.Plus précisément, le premier objectif de cette étude est d'évaluer l'effet de différentes conditions de pré écrouissage sur le comportement cyclique et sur la durée de vie en air et en milieu primaire. En air, un pré écrouissage tend à réduire la durée de vie dans le domaine de la fatigue oligocyclique et à l’augmenter dans le domaine du grand nombre de cycles. En milieu primaire cette diminution de durée de vie n’apparaît pas. Le second objectif porte sur l'effet de l'air et du milieu primaire sur les mécanismes de fissuration (amorçage et propagation) dans le cas du matériau recuit dans le domaine de la fatigue oligocyclique. Ainsi, des cinétiques d’amorçage et de propagation de fissures ont été évaluées via une approche microscopique multi échelles dans ces deux environnements. En milieu primaire au cours des premiers cycles, une oxydation préférentielle en couche se produit dans l’alignement d’une bande de cisaillement dense en dislocations dissociées. Puis, au cours du cyclage, la microstructure évolue vers une structure de type micromaclage. Le processus d’oxydation progresse par cisaillement de l’oxyde et dissolution du métal en pointe de fissure. Au-delà d'une certaine profondeur de fissure (<3μm), la fissure se réoriente à un angle de 90° par rapport à la surface. La fissure continue sa propagation par génération successive de bandes de cisaillement à chaque cycle jusqu'à la rupture.Ces processus de fissuration ont ensuite discutés au travers du rôle potentiel de l’hydrogène de corrosion.

The present study was undertaken in order to get further insights on cracking mechanisms in a304L stainless steel.More precisely, a first objective of this study was to evaluate the effect of various coldworking conditions on the cyclic stress-strain behavior and the fatigue life in air and in PWR primaryenvironment. In air a prior hardening was found to reduce the fatigue life in the LCF regime but not inprimary environment. In both environments, the fatigue limit of the hardened materials was increasedafter cold working.The second objective addresses the effect of the air and the PWR primary environments onthe cracking mechanisms (initiation and propagation) in the annealed material in the LCF regime.More precisely, the kinetics of crack initiation and micro crack propagation were evaluated with amulti scale microscopic approach in air and in primary environment.In PWR primary environment, during the first cycles, preferential oxidation occurs alongemerging dissociated dislocation and each cycle generates a new C-rich/Fe-rich oxide layer. Then,during cycling, the microstructure evolves from stacking fault into micro twinning and preferentialoxidation occurs by continuous shearing and dissolution of the passive film. Beyond a certain crackdepth (<3μm), the crack starts to propagate with a direction close to a 90° angle from the surface. Thecrack continues its propagation by successive generation of shear bands and fatigue striations at eachcycle up to failure.The role of corrosion hydrogen on these processes is finally discussed.