Modélisation de l'endommagement à haute température dans le métal d'apport des joints soudés d'acier inoxydable austénitique

Modelling of microstructural creep damage in welded joints of 316L stainless steel

• Auteur / Autrice : Guillaume Bouche
• Direction : Roland Piques, André Pineau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucien Allais, Suzanne Degallaix, Günther Eggeler, Christine Delaval, Claude Escaravage

Mots clés

Mots clés contrôlés

Soudures

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Acier inoxydable austénitique

Résumé

Les joints soudés d’acier inoxydable austénitique de type AISI 316 en service à haute température se sont révélés des sites privilégiés d’endommagement de fluage, par comparaison avec l’acier des tôles. Cet endommagement résulte de la formation de microcavités et du développement de microfissures qui pourraient conduire à une ruine prématurée du composant. La structure biphasée complexe du métal d’apport de joint soudé a été simulée en déposant des cordons de soudures dans un moule de métal de base, selon un procédé multi-passes. L’ensemble du bloc a été vieilli pendant 2000 heures à 600°C. La solidification du matériau ainsi que sa texture ont été étudiées. Des éprouvettes de fluage lisses et entaillées, testées à 600°C pour des niveaux de contraintes échelonnés, ont permis d’une part la détermination de lois de comportement simples pour le matériau à 600°C et d’autre part l’étude quantitative de l’endommagement de fluage, au moyen de mesures par analyse d’images de longueurs de joints fissurés sur les coupes longitudinales d’éprouvettes entaillées. Les observations faites ainsi qu’une analyse par EBSD ont prouvé que l’endommagement apparaissait au niveau des joints austénite-austénite de forte désorientation. Les champs micromécaniques de contraintes et de déformations dans les éprouvettes entaillées ont été déterminés par analyse aux éléments finis. Les mesures d’endommagement et les résultats des calculs ont alors été corrélés de façon à proposer une loi d’endommagement de fluage dans le matériau soudé. Cette loi a été validée au moyen d’essais discriminants, notamment un essai de fluage en mode II.

Welded joints of 316L stainless steel under service conditions at elevated temperature are known to be preferential sites of creep damage, as compared to the base material. This damage results in the formation of cavities and the development of creep cracks which can lead to a premature failure of welded components. The complex two-phase microstructure of 316L welds was simulated by manually filling a mould with longitudinal deposited weld beads. The moulded material was then aged during 2000 h at 600°C. High Resolution Scanning Electron Microscopy was largely used to examine the microstructure of the simulated material before and after ageing. Smooth and notched creep specimens were cut from the mould and tested at 600°C under various stress levels. A comparison of the lifetime versus nominal stress curves for the base and welded materials shows a greater dependence of the welded material to creep phenomena. Observation shows that damage is preferentially located along the austenite grain boundaries. The stress and strain fields in the notched specimens were calculated by the finite element method. A correlation of this field to the observed damage was made in order to propose a predictive law relating the creep damage to the mechanical conditions applied locally. Further mechanical tests and simulation on CT specimens and mode II tubular specimens allowed validating the model under various multiaxial loading conditions.