Simulation micromécanique et étude expérimentale de l'endommagement par fluage des aciers austénitiques inoxydables

Micromechanical simulation and experimental investigation of the creep damage of stainless austenitic steels

• Auteur / Autrice : Liang Huang
• Direction : Maxime Sauzay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance le 06/12/2017
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Tech
• Jury : Président / Présidente : Dominique Leguillon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Castelnau, Sophie Dubiez-Le Goff, Adrien Guery
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alan Cocks, Rolf Sandström

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Acier austénitique

Matériaux -- Fluage

Mots clés libres

Fluage

Acier austénitique

Endommagement intergranulaire

Germination des cavités

Éléments finis

Viscoplasticité cristalline

Creep

Austenitic stainless steels

Cavity nucleation

Résumé

L’acier austénitique inoxydable 316L(N) et l’alliage 800 sont des candidats potentiels pour des éléments de structures des réacteurs nucléaires de génération IV. Les durées de vie envisagées peuvent atteindre 60 années sous chargement de fluage. Il est donc nécessaire de caractériser et de prendre en compte les mécanismes d’endommagement de fluage afin de proposer des prédictions de durées de vie. Le modèle de Riedel est basé sur la germination continue de cavités (loi de Dyson) et la croissance de cavités par diffusion des lacunes le long des joints de grains. Les durées de vie en fluage sont prédites par la combinaison des modèles de striction (court terme) et de Riedel (long terme), en accord avec les données expérimentales. Aucun paramètre ajusté n’a été utilisé dans le modèle de Riedel. Cependant, le préfacteur de la loi de Dyson devait être mesuré expérimentalement.Les cavités se forment aux interfaces entre particules de phase secondaire intergranulaires et matrice austénitique. Grâce à des calculs par éléments finis cristallins (logiciel Cast3M), les concentrations de contraintes aux interfaces matrice-précipité ont été calculées en considérant les hétérogénéités microstructurales. Les résultats des calculs nous permettent de proposer une formule multiplicative visant à calculer la distribution des contraintes normales d’interface, en prenant en compte toutes les hétérogénéités microstructurales. En appliquant un critère en contrainte et un critère énergétique de rupture, le préfacteur de la loi de Dyson prédit est du même ordre de grandeur que celui mesuré expérimentalement. Notre travail conduit à proposer un fondement théorique de la loi de Dyson.

Austenitic stainless steel 316L (N) and alloy 800 are potential candidates for structural components of Generation IV nuclear reactors. Their in-service lifetime may be extended up to 60 years under creep condition. It is thus necessary to characterize the dominant damage mechanisms during creep in order to propose long term lifetime predictions. The Riedel model is based on continuous cavity nucleation (the Dyson law) and cavity growth by vacancy diffusion along grain boundaries. The creep lifetimes are predicted by the combination of a necking (short-term) and the Riedel (long-term) models, agree well with numerous experimental data. No adjusted parameter was used as applying in the Riedel model. However, the Dyson law prefactor is evaluated experimentally. Cavities are produced at the interfaces of intergranular second phase particles and austenitic matrix. Using crystal viscoplasticity finite element computations (Cast3M software), the stress fields along the particle-matrix interfaces are calculated by considering the main microstructure heterogeneities. The Finite element calculation results allow us to propose a multiplication formula to compute the distribution of interface normal stresses, accounting for all microstructural heterogeneities. Applying an interface fracture stress criterion and a simplified energy balance equation, the predicted Dyson law prefactor is close to measured values. Our work provides a theoretical explanation of the phenomenological law of Dyson.