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Étude du comportement au fluage de l'alliage 13Cr-4Ni en vue de simuler la redistribution des contraintes résiduelles lors du traitement thermique post-soudage

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Fréchette, Guillaume (2018). Étude du comportement au fluage de l'alliage 13Cr-4Ni en vue de simuler la redistribution des contraintes résiduelles lors du traitement thermique post-soudage. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le procédé de soudage génère de fortes contraintes résiduelles pendant le processus de fabrication des roues hydrauliques d’acier martensitique 13Cr-4Ni. Un traitement thermique de détente doit être obligatoirement réalisé sur la roue assemblée. Cependant, la complexité de la géométrie et la grandeur de la roue rendent le contrôle en température difficile pour les différentes sections de la roue. Le niveau de contraintes résiduelles en présence après le traitement post-soudage est inconnu du fabricant et il est considéré pour la conception de celle-ci, mais de façon totalement arbitraire. Ce mémoire traite de l’élaboration d’une loi viscoplastique en fluage permettant de simuler la relaxation de ces contraintes résiduelles dans une roue hydraulique.

Des essais de fluage ont été menés à la température critique de 620 °C pour différentes charges. À cette température de revenu, le maximum d’austénite de réversion se forme. Cette phase a un effet positif sur la vie en fatigue du matériau. Elle est ductile et peut absorber des impacts sur la roue hydraulique améliorant ainsi la durée de vie de celle-ci. À l’aide de ces essais de fluage, les vitesses de déformation plastique du matériau 13Cr-4Ni en fonction du temps à divers niveaux de contraintes ont été déterminées.

Ensuite, un champ de contrainte résiduelle de ± 500 MPa a été introduit dans des éprouvettes de flexion quatre points pour observer la redistribution des contraintes résiduelles suite à différents traitements thermiques typiques à l’aide de la méthode du contour. Différentes combinaisons de traitement thermique (température/temps de maintien) ont été appliquées sur les éprouvettes de flexion : 400 °C/ 0h, 620 °C/ 0h, 620 °C/ 2h et 620 °C/ 48h. Cette démarche expérimentale a démontré que les contraintes résiduelles se redistribuent meme pour une température aussi faible que 400 °C. Le paramètre prédominant pour la redistribution des contraintes a été l’effondrement de la limite d’écoulement vraie du matériau en température.

Le traitement thermique 620 °C/ 2h a permis de diminuer au maximum le champ de contraintes résiduelles à ± 90 MPa. De plus, ces essais ont démontré qu’un séjour prolongé à la température critique pouvait mener à une transformation martensitique partielle pendant le refroidissement et induire des gradients de contraintes résiduelles localement.

Titre traduit

Study of the creep behaviour of 13Cr-4Ni alloy for simulating the evolution of the residual stresses during a post-weld heat treatment

Résumé traduit

The welding process generates a large amount of residual stress during the manufacturing of the 13Cr-4Ni martensitic steel turbine runners. A post-weld relaxation heat treatment is necessary and must be performed on the assembled wheel. However, the complexity of the geometry and the size of the wheel make temperature control difficult in the different sections of the wheel. The level of residual stresses after the post-weld treatment is unknown from the manufacturer and is only taken arbitrary into consideration for this design. The subject of this thesis is the development of a creep viscoplastic constitutive law that will help simulate the relaxation of these residuals stresses in a turbine runner.

Creep tests were performed at the critical temperature of 620 °C at various stress levels. At this temperature, the amount of reformed austenite at its maximum. This phase has a positive effect on the fatigue life of the material. It is ductile and can absorb impacts on the blade runner. The plastic deformation rates of the 13Cr-4Ni material as a function time at various stress levels was derived from creep tests.

A residual stress field of ± 500 MPa was introduced into four points bending test samples to observe the redistribution of the residual stresses following various typical heat treatments using the contour method. Different heat treatment combinations (temperature/dwell time) were applied to the bending samples: 400 °C/ 0h, 620 °C/ 0h, 620 °C/ 2h and 620 °C/ 48h. This experimental approach has shown that the residual stresses are redistributed even at a temperature as low as 400 °C. The predominant factor affecting the stress redistribution is the collapse of the true yield strength of the material with high temperature.

The heat treatment 620 °C/ 2h is the metallurgical condition that reduces the most the residual stress field to a maximum of ± 90 MPa. In addition, these tests demonstrate that a longer dwell stay at the critical temperature could lead to a partial martensitic transformation during cooling and induce residual stress gradients.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieures comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 135-139.
Mots-clés libres: Acier au chrome-nickel Fluage. Acier au chrome-nickel Traitement thermique. Acier martensitique. Contraintes résiduelles Modèles mathématiques. Viscoplasticité. Austénite. Acier Soudage. Roues hydrauliques Conception et construction. acier martensitique 13Cr-4Ni, austénite de réversion, fluage
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Champliaud, Henri
Codirecteur:
Codirecteur
Lanteigne, Jacques
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 28 août 2018 16:07
Dernière modification: 28 août 2018 16:07
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2079

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