Etude expérimentale et par simulation Monte Carlo des transformations de phase dans la ferrite des aciers austéno-ferritiques et de leurs alliages modèles

• Auteur / Autrice : Jonathan Emo
• Direction : Cristelle Schmuck-Pareige
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique - Science des matériaux
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Rouen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime1996-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Durcissement par vieillissement

Sondes atomiques tomographiques

Monte-Carlo, Méthode de

Transitions de phases

Détérioration

Acier au chrome-nickel

Acier inoxydable

Mots clés libres

Décomposition spinodale

Phase G

Résumé

Les aciers inoxydables austéno-ferritiques constituants les coudes moulés du circuit primaire des centrales nucléaires de deuxième génération, vieillissent aux températures de service (285°C-323°C). Ceci se traduit par une augmentation de leur dureté et une baisse de leur résilience. L’évolution de ces propriétés est attribuée aux transformations de phases qui opèrent dans la ferrite. S'il est admis que la composition de l’acier influe sur l’évolution de ces propriétés (les aciers moins riches en Ni et Mo sont moins sensibles au vieillissement), l’origine de ces différences n’est pas clairement identifiée. Dans cette étude, la cinétique des transformations de phase de la ferrite d'un acier austéno-ferritique pauvre en Mo et Ni ainsi que de celle d'alliages modèles duplex de composition ciblée a été étudiée par sonde atomique. Ces études ont permis de montrer que : i) l'intensité de la précipitation de la phase G est plus faible et la cinétique de la décomposition spinodale plus lente pour l'acier pauvre en Ni et Mo que pour des aciers riches en Mo et Ni analysés dans le cadre de travaux antérieurs, ii) la synergie entre décomposition spinodale et phase G est également observée dans cet acier, iii) le Mo n’a pas d’influence sur les premiers stades de précipitation de la phase G, iv) le mécanisme de précipitation de la phase G a lieu en au moins deux étapes, v) lorsque la densité de phase G est faible, le durcissement est contrôlé par l'amplitude et la longueur d'onde de la décomposition spinodale et vi) le rôle de la phase G sur le durcissement n'est peut-être pas si négligeable qu'on pouvait le supposer lorsque la densité est importante. Un modèle en simulation Monte Carlo cinétique a également été développé pour expliquer la synergie qui observée expérimentalement entre la décomposition spinodale et la précipitation de phase G. Ce modèle a permis de montrer que la coalescence des particules de phase G procède via la diffusion le long des interfaces α/α' et non par diffusion en volume.

Duplex stainless steels used in primary circuit of 2nd generation nuclear power plant endure thermal ageing at service temperatures (285°C-323°C). This leads to an increase of their hardness and to a decrease of their Charpy toughness. The evolution of these properties is due to the phase transformations which occur in ferrite. Even if it is well known that the steel composition plays a role on the mechanical properties evolution (steels with low Ni and Mo contents are less sensitive to thermal ageing), the origin of this difference of behaviour has not been clearly identified yet. In this study, the kinetics of the phase transformations in the ferrite of a duplex stainless steel with low Ni and Mo contents and duplex model alloys with specific compositions have been studied by atom probe tomography. This work showed that: i) G phase precipitation is less intense and the kinetic of the spinodal decomposition is slower for this steel than for steels with higher Ni and Mo contents, ii) the synergy between spinodal decomposition and G phase precipitation is also observed in this steel, iii) the Mo does not affect the early stages of the G phase precipitation, iv) the formation mechanism of G phase precipitates is at least a two steps mechanism, v) when the number density of G phase precipitates is low, hardening is mainly controlled by the amplitude and the mean wavelength of the spinodal decomposition, vi) when the number density of G phase precipitates is high, the hardening due to G phase precipitates may not be negligible. A kinetic Monte Carlo model has been developed to explain the synergy observed experimentally between the spinodal decomposition and the G phase precipitation. This model allowed us to show that the coarsening of G phase precipitates is driven by a diffusion mechanism along α/α’ interfaces, and not by a bulk diffusion mechanism.