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Essais de fissuration à froid appliqués aux métaux d'apport inoxydables martensitiques 410NIMO

Paquin, Mathieu (2014). Essais de fissuration à froid appliqués aux métaux d'apport inoxydables martensitiques 410NIMO. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les aciers inoxydables martensitiques représentent, depuis quelques années, un matériau de choix pour la fabrication de pièces mécaniques, notamment les turbines hydroélectriques. Le développement de ces alliages, notamment de type 13%Cr-4%Ni, a mené à l’élaboration de nuances à très bas taux de carbone, leur conférant une bonne soudabilité.

L’assemblage de ces pièces, fait par soudage autogène, demande l’utilisation de produits d’apports d’aciers inoxydables martensitiques à basse température de transformation de phase tels que le 410NiMo. Ces produits sont aussi utilisés pour l’assemblage par soudage hétérogène de pièces d’aciers sensibles à la fissuration à froid. La transformation de l’austénite en martensite se produisant à basse température, les contraintes résiduelles apparaissant suite à l’opération de soudage monopasse sont différentes de celles normalement retrouvées lors du soudage des aciers et réduisent les risques de fissuration. Par contre, l’expérience industrielle montre qu’en situation de soudage multipasses, les risques de fissuration à froid sont tout de même présents.

Ce projet avait pour but la détermination d’un essai de fissuration permettant d’évaluer la sensibilité à la fissuration à froid des produits d’apports inoxydables de type 410NiMo en fonction du mode opératoire de soudage, en situation de soudage autogène.

La littérature contient beaucoup d’informations concernant le phénomène de fissuration à froid. Pour que ce phénomène se produise, trois conditions doivent être présentes simultanément. Ces conditions sont : une microstructure fragile, un taux d’hydrogène diffusible élevé et des contraintes résiduelles importantes. Or, il semble que malgré le faible taux massique de carbone (0.022%C) et du faible taux d’hydrogène diffusible (< 3 ml/100g) du produit d’apport, les risques de fissuration à froid restent présents lors de dépôts multipasses.

L’utilisation d’essais de fissuration a été nécessaire afin d’évaluer la sensibilité à la fissuration de l’acier inoxydable martensitique. En préambule, des essais Tekken et GBOP ont été faits afin de déterminer celui permettant d’obtenir les résultats les plus représentatifs de la réalité industrielle. Ensuite, ils ont été modifiés afin d’inverser la contrainte de compression dans le cordon d’essai en tension par l’ajout d’une deuxième soudure. Cette inversion se produit lors du soudage multipasses et a été identifié comme étant un facteur important dans l’apparition du phénomène de fissuration. Les résultats issus de ces essais et présentés dans ce document montrent que l’essai Tekken n’est pas adapté aux aciers à basse température de transformation. Il a aussi été démontré que l’essai GBOP avec deux soudures juxtaposées donnait des résultats qui concordent avec les observations faites en milieu industriel.

La seconde étape du projet consistait à étudier l’essai de fissuration retenu. Des essais d’émission acoustique ont été faits durant le soudage et le refroidissement de l’essai GBOP. Ces essais ont été menés dans le but de détecter le moment où la fissuration de l’éprouvette se produisait et de valider la méthode d’inspection. Cette inspection se fait suite à la séparation de l’éprouvette, par l’observation du faciès de rupture. Habituellement, les zones clivées de ce faciès peuvent être associées au phénomène de fissuration à froid tandis que les zones plus ductiles sont associées à la séparation de l’éprouvette. Grâce à ces essais, il a été possible de valider cette affirmation. Ensuite, la pertinence de l’ajout d’une deuxième soudure a été validée par l’étude des contraintes résiduelles par la méthode des contours. Il a été possible d’observer une zone de tension dans le premier cordon, favorisant la fissuration de l’éprouvette.

Finalement, quelques séries d’essais ont été faites avec différents produits d’apports afin de confirmer que l’utilisation de l’essai GBOP modifié pour les produits d’apport 13%Cr-4%Ni était adéquate. L’étude fractographique de quelques résultats a aussi été faite.

Résumé traduit

Martensitic stainless steels have represented since few years a material of choice for the manufacture of mechanical parts such as hydroelectric turbines. The development of the alloy has led to grades with very low amount of carbon giving them a good weldability.

The assembly of these parts, made by autogenous welding, requires the use of materials with low transformation temperature (LTT) such as 410NiMo. These filler metals are also used for assembly by heterogeneous welding of steel parts susceptible to cold cracking. The transformation of austenite to martensite occurring at low temperature, residual stresses from single-pass welding operation are different from those normally found and reduce the risk of cracking. By cons, industrial experience shows that in situation of multipass welding, the risks of cold cracking are still present.

This project aimed to determine a cracking test for assessing susceptibility to cold cracking of 13%Cr-4%Ni stainless steel according to the welding procedure, in autogenous welding situation.

Literature contains much information about cold cracking phenomena. That phenomena occurs under three conditions. These conditions are: a high diffusible hydrogen level, significant residual stresses and a brittle microstructure. It seems that despite the low mass ratio of carbon (0.022% C) and the low diffusible hydrogen level (< 3 ml/100g) risks of cold cracking remain present during multipass deposits.

Use of cracking tests was necessary to assess the sensitivity to cracking of the martensitic stainless steel. Before the work preliminary tests have been made or tested Tekken GBOP and testing to determine that to obtain the most representative of the industrial reality results. Then they have been modified to reverse the compression stress in the seam test to tension by the addition of a second weld. This inversion occurs in multipass welding and has been targeted as an important factor in the occurrence of cold cracking phenomenon. The results of these tests show that Tekken test is not suitable for LTT testing. It was also demonstrated that GBOP test with two juxtaposed seams configuration gave results consistent with the industrial observations.

The second stage of the project was to study the cracking test selected. Acoustic emission tests were done during welding and cooling of GBOP test. These tests were conducted in order to detect when the cracking of the test occurred and to validate the method of inspection. This inspection is done after separation of the specimen, by observation of the fracture surface. Usually, cliveage zone on the fracture surface can be associated with cold cracking and dimple zones can be associated with the specimen separation. Through these tests, it was possible to validate this assertion. Then the relevance of the addition of a second weld has been validated by studying the residual stress by the contour method. It was possible to observe an area of the first bead in tension, promoting cracking of the test.

Finally, some test runs were made with various filler metals in order to confirm that the utilization of the modified GBOP test for 13%Cr-4%Ni was adequate. A fractographic study of some sample was also made.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique" Bibliographie : pages 131-136.
Mots-clés libres: Acier martensitique Fissuration. Soudures Fissuration. essai, fissuration, froid, GBOP, tekken, acier inoxydable martensitique, aciers 13%Cr-4%Ni, acier 410NiMo
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Bocher, Philippe
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Verreman, Yves
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 07 mai 2014 18:00
Dernière modification: 07 mai 2014 18:00
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1307

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