Fatigue oligocyclique d'un acier inoxydable austénitique 304L : influence de l'état de surface et de signaux de chargement en milieu eau primaire REP

Low Cycle Fatigue of a 304L Austenitic Stainless Steel : Influence of Surface Finish and Load Signals in PWR Water Environment

• Auteur / Autrice : Thibault Poulain
• Direction : José Méndez, Gilbert Hénaff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 12/10/2015
• 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 : Entreprise : Areva
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime- ENSMA
• Jury : Président / Présidente : Eric Andrieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Le Roux, Laurent de Baglion
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Bernard Vogt, Wolski Krystof

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rupture, Mécanique de la

Matériaux -- Fissuration

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Durée de vie (ingénierie)

Meulage

Rugosité

Acier inoxydable -- Fatigue

Acier inoxydable austénitique

Réacteurs à eau sous pression

Mots clés libres

Signal de chargement

Milieu eau primaire REP

Load signal

PWR water environment

Résumé

Le dimensionnement en fatigue des composants de centrales nucléaires prend en compte l’influence de nombreux paramètres tels que l’état de surface, les effets d’échelle, la variabilité du matériau, … Afin d’optimiser ce dimensionnement, il est nécessaire de comprendre le rôle joué par ces différents facteurs et d’identifier leurs interactions potentielles avec le milieu eau primaire REP (Réacteur à Eau Pressurisée). Dans cette étude, l’influence de l’environnement sur un acier inoxydable austénitique 304L en fatigue oligocyclique, mise en évidence par des essais conduits sous vide, dans l’air et en milieu eau primaire REP, est analysée en fonction de l’état de surface initial (état poli ou meulé) et de la nature du signal de chargement considéré (signaux triangulaires à différentes vitesses de déformation ou signaux complexes représentatifs de chocs thermiques successifs rencontrés en service). Une diminution de la durée de vie et l’accélération de l’endommagement provoquées par le milieu eau primaire REP ont été constatées quels que soient l’état de surface ou le signal de chargement considérés. L’influence néfaste de l’état de surface meulé sur les durées de vie en fatigue est mise en évidence puis expliquée par des essais interrompus à l’aide d’analyses qualitatives et quantitatives de l’endommagement. L’importance de la géométrie des fissures est révélée par des observations fractographiques et sa prise en compte au sein de lois de propagation permet d’expliquer la réduction de durée de vie liée à l’état de surface meulé. Enfin, l’influence dela forme du signal sur le comportement cyclique, l’endommagement du matériau et les durées de vie est détaillée. L’influence du positionnement des parties à faible vitesse de déformation au sein des cycles de chargement complexes est analysée en prenant en compte le temps d’exposition des fissures à l’environnement.

The fatigue design of Pressurized Water Reactor (PWR) components takes into account many parameters suchas the surface finish, the scale effects, the material variability, etc. To optimise this design, it is necessary tounderstand the role of those parameters and to identify their possible interactions with PWR waterenvironment.This work is focused on the low cycle fatigue behaviour of a 304L austenitic stainless steel in threeenvironments, namely vacuum, air and PWR water, through fatigue lifetimes, cracking mechanisms and crackgrowth characterisations. In addition, the roles of both surface finish (polished or ground) and load signal form(triangular signals with different strain rates or complex signals representative of successive thermal shocks)were investigated.The PWR water environment causes a fatigue life reduction and a crack propagation rate enhancement,regardless of surface finish or load signal shape. The deleterious effect of ground surface finish observed onfatigue life is explained by means of interrupted tests through qualitative and quantitative damage analysis. Theimportance of the crack geometry is revealed by fractographic characterisations and its integration inpropagation laws is used to account for fatigue life reductions induced by ground surface finish. Finally thesignal shape effects on cyclic behaviour, damage kinetics and fatigue life are discussed. The influence of theposition of the low strain rate parts within a complex cycle is analysed taking into account the time of crackexposure to the environment.