Étude de l'endommagement en fluage d'assemblages soudés en acier martensitique à 9% Cr - Grade 91

Study of creep behavior of 9% chrome martensitic steel welded joint – Grade 91

• Auteur / Autrice : Solenne Collomb
• Direction : Abdelkrim Redjaïmia, Alain Jacques
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 03/11/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Sabine Denis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelkrim Redjaïmia, Alain Jacques, Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Olivier Castelnau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Muriel Véron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Matériaux -- Détérioration

Microstructure (physique)

Fluage

Acier au chrome

Soudures -- Fatigue

Mots clés libres

Soudure

Grade 91

Fluage

Caractérisation

Endommagement

Welded joint

Grade 91

Creep

Caracterization

Damage

Résumé

L’objectif d’une meilleure efficience énergétique impose des conditions de service, de plus en plus drastiques, aux composants des centrales thermiques. Cette demande a conduit à l’utilisation de nuances d’aciers à 9-12% de chrome, comme le Grade 91, qui combinent les propriétés de la martensite avec un durcissement par solution solide et par précipitation. Ces nuances présentent des propriétés remarquables en fluage, mais un mode d’endommagement inhabituel au niveau des assemblages soudés (fissures internes générées dans la Zone Affectée Thermiquement, ZAT). Suivant les conditions de service (température-contrainte), les modes d’endommagement par fluage diffèrent, entraînant une localisation de la rupture spécifique. Dans les conditions industrielles (540 - 610°C), le Grade 91 présente un endommagement par cavitation, avec une rupture de type IV, localisée dans la ZAT, proche du métal de base. Différentes études apportent des éléments de réponses sur l’évolution microstructurale induite par le fluage, cependant aucune relation quantitative ne semble avoir été établie entre ces modifications et la durée de vie. Les liens entre l’évolution des contraintes et les modifications microstructurales, au cours du fluage restent mal élucidées. Le projet que nous menons avec l’Institut de Soudure (IS) est l’identification de l’origine et la compréhension de ce mode d’endommagement inhabituel afin de proposer un ou plusieurs facteurs de suivi du temps de vie résiduel d’une soudure. L’objectif a été de suivre, au cours du fluage, l’évolution de la microstructure et de l’endommagement dans le métal de base et dans la zone de faiblesse du joint soudé. Des essais de fluage interrompus à différents stades de la durée de vie, ont été réalisés sur des joints soudé, pour des paramètres d’essai menant à des endommagements similaires à ceux rencontrés en service. Les échantillons pré-flués ont été caractérisés in situ par diffraction en rayonnement synchrotron en fluage dans les mêmes conditions (contrainte-température), afin d’évaluer l’état des contraintes internes le long du joint soudé. Les échantillons ont ensuite été finement caractérisés par microscopie optique, micro-analyse et diffraction, notamment la microscopie électronique à balayage (MEB) et à transmission (MET), la spectroscopie à rayons X (EDS), la diffraction des électrons en transmission (SAED) et rétrodiffusés (EBSD). La résistance mécanique des soudures a été suivie par des cartographies de micro-dureté.

The research of the best thermodynamic efficiency, with the decrease of CO2 emissions, imposes more and more drastic terms of use for the components of Thermal Power Stations. This demand led to the development of the new Grade 91 martensitic steels with 9-12% chromium, associates the usual properties of martensite with solid solution and precipitation hardening. This grade presents exceptional creep properties, but also an unusual damage mode at the welded joint (internal cracks generated in the HAZ - Heat Affected Zone -). Depending on the operating conditions (temperature - stress), the creep damage mode differ, resulting in a specific fracture location. Under industrial conditions (540 - 610 °C) Grade 91 has a cavitation damage mode with a type IV fracture, located in the HAZ, close to the base metal. While ormer studies analysed the microstructural evolution induced by creep, no quantitative relationship seems to have been established between these modifications and service life. However, the links between stress evolution and microstructural modifications during the creep test are not elucidated. The aim of this work carried out with the Institut de Soudure (IS) is to identify the origin and to understand this damage mode in order to propose one or more monitoring factors for follow the residual life time of a welded joint. The objective was to follow, during creep test, the evolution of stresses, microstructure and damage in the base metal and in the weakness zone of the welded joint. Creep tests on welded joints were carried out at a temperature and stress level leading to damage similar to the operating conditions and interrupted at different stages of the service life. The samples were then characterised in situ by diffraction in synchrotron radiation during creep under the same conditions (stress-temperature), to determine the distribution of internal stress along the welded joint. The samples were then investigated using microscopy, microanalysis and diffraction techniques, including scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), Energy dispersive spectroscopy (EDS), transmission electron diffraction (SAED) and backscatter electron diffraction (EBSD). In addition, the welded joint mechanical properties were monitored by micro-hardness mapping.