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Contribution à l'étude du comportement en fatigue des aciers inoxydables 13%CR-4%NI : contraintes résiduelles de soudage et transformation sous contrainte de l'austénité de réversion

Thibault, Denis (2010). Contribution à l'étude du comportement en fatigue des aciers inoxydables 13%CR-4%NI : contraintes résiduelles de soudage et transformation sous contrainte de l'austénité de réversion. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L'objectif de la présente étude est de mieux cerner certains des principaux paramètres régissant le comportement en fatigue des aciers inoxydables 13%Cr-4%Ni utilisés pour la fabrication des roues de turbines hydrauliques. Ainsi deux aspects sont traités dans cette thèse, soit les contraintes résiduelles laissées par le soudage homogène de ces aciers et la transformation sous chargement cyclique de l'austénite de réversion contenue dans cet alliage.

Les contraintes résiduelles laissées après soudage homogène ont été caractérisées à l'aide de quatre méthodes de mesure : la méthode de perçage, la diffraction des rayons-X, la méthode du contour et la diffraction des neutrons. Ces contraintes ont été mesurées dans deux types de joints soudés au métal d'apport 410NiMo avant et après traitement thermique post-soudage. Une distribution de contraintes résiduelles totalement différente de celle retrouvée dans les aciers de structures a été mesurée. Ainsi, des contraintes résiduelles de compression d'environ 400 MPa ont été mesurées dans le dernier cordon de soudure. Des zones de tension résiduelle ont été retrouvées au pourtour de la zone affectée thermiquement et sous la dernière couche de soudure. Cette distribution inédite est expliquée par la transformation de phase austénite-martensite se produisant à basse température (~300ºC) lors du refroidissement de la soudure. Les résultats de ces mesures montrent aussi que le traitement thermique post-soudage de revenu couramment utilisé par l'industrie est très efficace pour diminuer ces contraintes. Des contraintes maximales d'environ 150 MPa ont été retrouvées après ce traitement.

L'austénite de réversion formée lors du traitement de revenu est par ailleurs instable mécaniquement. Les résultats présentés dans cette thèse montrent qu'après essais de propagation de fissure, toute l'austénite située près de la surface de rupture a été transformé en martensite sous l'effet du chargement cyclique. Ces mesures obtenues directement sur les surfaces de rupture par diffraction des rayons-X ont été corroborées par les résultats obtenus en fatigue oligocyclique qui montrent que cette austénite se transforme graduellement et que cette transformation est complétée après 100 cycles. Le comportement en fatiguepropagation des aciers testés ne semble pas influencé outre mesure par cette transformation qui a lieu à toute valeur de facteur d'intensité de contrainte. Les retombées pratiques de ces résultats pour la fabrication et la réparation des roues de turbines en inox 13%Cr-4%Ni sont discutées à la suite de la présentation des résultats.

Titre traduit

Contribution to the study of 13%CR-4%NI stainless steel fatigue behaviour: reisdual stress caused by welding and stress-induced transformation of reformed austenite

Résumé traduit

The objectives of the present study are to characterize some of the main parameters affecting fatigue behaviour of 13%Cr-4%Ni martensitic stainless steels used for hydraulic turbines manufacturing. Two aspects are studied: the residual stresses left after autogenous welding of these steels and the stress-assisted transformation of the reformed austenite contained in this alloy.

The residual stresses induced by welding were characterized by four different methods: the hole-drilling method, X-ray diffraction, neutron diffraction and the contour method. The state of stress was characterized in two different joints geometries, both using 410NiMo weld filler metal. The characterization was made before and after post-weld heat treatment. A stress distribution completely different of the stress distribution commonly found in structural steels was measured. Triaxial compression was found in the last bead with a maximum value of approximately 400 MPa. Tensile stress was measured around the heat-affected zone and just below the last weld layer. The low temperature martensitic transformation occuring during weld cooling (~300ºC) explains this unusual stress distribution. The results also showed that the post-weld heat treatment commonly used in the industry is efficient in lowering residual stresses. A maximum stress of about 150 MPa was found after heat treament.

The austenite formed during this post-weld heat treatment is mechanically unstable. The results presented in this thesis show that after fatigue crack propagation testing, all the reformed austenite found near the fracture surface has transformed to martensite under cyclic stress loading. These measurements made by X-ray diffraction are confirmed by low-cycle fatigue tests showing that the reformed austenite found in this alloy transforms gradually to martensite during strain cycling. The transformation is completed after 100 cycles. The fatigue crack growth behaviour of the tested alloys does not seem to be influenced by this phenomenon occuring at all values of stress intensity factor. The practical implications of this work on fabrication and repair of hydraulic turbines made of 13%Cr-4%Ni are also discussed in this thesis.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliogr. : f. [104]-117.
Mots-clés libres: Acier martensitique. Acier Fatigue. Contraintes résiduelles. Acier inoxydable Soudage. Austénite. Turbines hydrauliques. 13%Cr-4%Ni, contraintes résiduelles, Réversion, Roue, soudage, Transformation.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bocher, Philippe
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Thomas, Marc
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 28 mars 2011 15:00
Dernière modification: 14 févr. 2017 22:34
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/659

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