Characterization of microstructure and texture of 13Cr4Ni martensitic stainless steel weld before and after tempering

Mokhtabad Amrei, Mohsen (2016). Characterization of microstructure and texture of 13Cr4Ni martensitic stainless steel weld before and after tempering. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

13Cr4Ni martensitic stainless steels are known for their outstanding performances in the hydroelectric industry, where they are mainly used in the construction of turbine components. Considering the size and geometry of turbine runners and blades, multi-pass welding procedures are commonly used in the fabrication and repair of such turbines. The final microstructure and mechanical properties of the weld are sensitive to the welding process parameters and thermal history. In the case of 13Cr4Ni steel, the thermal cycles imposed by the multi-pass welding operation have significant effects on the complex weld microstructure. Additionally, post-weld heat treatments are commonly used to reduce weld heterogeneity and improve the material’s mechanical properties by tempering the microstructure and by forming a “room-temperature-stable austenite.”

In the first phase of this research, the microstructures and crystallographic textures of aswelded single-pass and double-pass welds were studied as a basis to studying the more complex multi-pass weld microstructure. This study found that the maximum hardness is obtained in high temperature heat affected zone inside the base metal. In particular, the results showed that the heat cycle exposed by the second pass increases the hardness of the previous pass because it produces a finer martensite microstructure. In areas of heat-affected zone, a tempering effect is reported from 3 up to 6 millimeters far from the fusion line. Finding austenite phase in these areas are matter of interest and it can be indicative of the microstructure complexity of multi-pass welds.

In the second phase of research, the microstructure of multi-pass welds was found to be more heterogeneous than that of single- and double-pass welds. Any individual pass in a multi-pass weld consists of several regions formed by adjacent weld passes heat cycle. Results showed that former austenite grains modification occurred in areas close to the subsequent weld passes. Furthermore, low-angle interface laths were observed inside martensite sub-blocks over different regions. The hardness profile of a multi-pass weld was explained by the overlaying heat effects of surrounding passes. In some regions, a tempered matrix was observed, while in other regions a double-quenched microstructure was found.

The final aspect of this study focused on the effects of post-weld heat treatments on reformed austenite and carbide formations, and evolution of hardness. The effects of tempering duration and temperature on microstructure were investigated. The study found that nanometer-sized carbides form at martensite lath interfaces and sub-block boundaries. Additionally, it was determined that for any holding duration, the maximum austenite percentage is achievable by tempering at 610 °C. Similarly, the maximum softening was reported for tempering at 610 °C, for any given holding period.

Titre traduit

Caractérisation de la microstructure et de la texture des soudures en acier inoxydable martensitique 13Cr4Ni, avant et après revenu

Résumé traduit

Les aciers inoxydables martensitiques 13Cr4Ni connus pour leurs performances exceptionnelles dans l'industrie hydroélectrique, où ils sont utilisés principalement dans la construction des différentes composantes des turbines. Compte tenu de la taille et de la géométrie des roues des turbines et des aubes, les procédures de soudage multi-passes sont couramment utilisées dans leur fabrication et leur réparation. Les propriétés mécaniques et la microstructure finales de la soudure sont sensibles aux paramètres du procédé de soudage et à l'historique thermique. Dans le cas de l'acier 13Cr4Ni, les cycles thermiques imposés par l'opération de soudage multi-passes ont des effets significatifs sur la microstructure complexe de la soudure. En outre, les traitements thermiques après soudage sont généralement faits pour réduire l'hétérogénéité de la soudure et améliorer les propriétés mécaniques du matériau par le revenu de la microstructure et aussi par la formation d'une "austénite stable à température ambiante"

Dans la première phase de cette étude, les microstructures et les textures cristallographiques des soudures mono-passe et double-passe cordon de soudage ont été étudiées comme une base pour l'étude de la microstructure plus complexe de la soudure multi-passes. Cette étude a révélé que la dureté maximale est obtenue dans la zone affectée thermiquement du métal de base. En particulier, le cycle thermique de la deuxième passe augmente la dureté de la passe précédente et produit une microstructure martensitique plus fine. Dans les régions de la zone affectée thermiquement, un effet de revenu est rapporté jusqu'à 3 à 6 millimètres de la ligne de fusion. Les particules d'austénite se trouvent aussi dans ces zones et ils sont des indicatifs de la complexité de la microstructure attendue dans les soudures multi-passes.

Dans la deuxième phase de l’étude, la microstructure des soudures multi-passes a été trouvée plus hétérogène que celle des soudures mono-passe et double-passe. Elle est composée de plusieurs régions affectées par les passes de soudure adjacentes. Les résultats montrent que la modification des grains de l’austénite mère est intervenue dans les zones à proximité des passes de soudure précédentes. De plus, des lattes qui ont des interfaces avec angle faible ont été observées à l'intérieur des sous-blocs de martensite en différentes régions. Le profil de dureté de la soudure multi-passes, confirme des effets thermiques superposés des passes adjacentes. Dans certaines régions, un effet de revenu a été observé, alors que dans d'autres un effet de double-trempe a eu lieu.

La dernière phase de cette étude a porté sur les effets de traitements thermiques après soudage sur la formation de l’austénite reformé et des carbures et sur l'évolution de la dureté. Les effets de la température et du temps de revenu sur la microstructure ont été étudiés. L'étude a révélé que des carbures de taille nanométrique se forment au niveau des interfaces des lattes de martensite et des interfaces de sous-blocs. En outre, il a été déterminé que, pour chaque période de revenu, le pourcentage le plus élevé d'austénite peut être obtenu par un revenu à 610 ° C. De la même façon, le maximum ramollissement est rapporté par un revenu à 610 ° C, pour tous périodes.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 121-128.
Mots-clés libres:	Acier martensitique Soudage. Acier martensitique Microstructure. Acier martensitique Texture. Soudage électrique. Revenu (Métallurgie). Dureté. Austénite. Turbines Aubes Entretien et réparations. multipasse, acier inoxydable martensitique, caractérisation microstructurale, soudage à l’arc avec fil fourré, traitement thermique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bocher, Philippe
Codirecteur:	Codirecteur Verreman, Yves
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	03 août 2016 18:54
Dernière modification:	10 déc. 2016 17:24
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1700

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