Microstructure and fracture mechanics properties of 13% Cr-4% Ni martensitic stainless steels

Foroozmehr, Fayaz (2021). Microstructure and fracture mechanics properties of 13% Cr-4% Ni martensitic stainless steels. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

13% Cr-4% Ni martensitic stainless steels are used to manufacture the hydroelectric runners due to their high strength and toughness, as well as their good resistance against corrosion and cavitation erosion. As hydraulic turbine runners are subjected to cyclic loadings, fatigue cracking is the main source of damage during their useful lifetime, and regular inspections are performed to verify the severity of the damage, and carrying out the required reparations.

The main purpose of this study is characterizing the fracture behaviors of the hydroelectric runner component materials i.e. the cast (CA6NM), the wrought (415), the matching weld metals (410NiMo). The possibility of establishing relationships among fracture behavior, inclusion characteristics and austenite contents has motivated the study. The stress triaxiality ST ratios were measured on the necked region from the tension broken samples, and fracture micromechanics were characterized using the modified Rice and Tracey model describing ductile rupture in terms of void growth-ST ratio relationship. Linear-Elastic Fracture Mechanics (LEFM) is not applicable for small laboratory specimens of ductile materials, such as 13% Cr-4% Ni martensitic stainless steels, as large-scale yielding occurs during KIc testing. Elastic-Plastic Fracture Mechanics (EPFM) approach is therefore necessary to measure the strain energy release rate (J) for this category of stainless steels. The stable crack growth behavior of the substrate steel (CA6NM), the weld metals, and the Heat-Affected Zone (HAZ) was characterized during JIc-testing. The substrate steel was tested in heat-treated condition, whereas the weld metal and the HAZ were examined in both as-welded and heat-treated conditions. Fracture surfaces were examined using a Scanning Electron Microscope (SEM) coupled with an Energy Dispersive X-ray (EDX) spectrometer to reveal the nature of the second phase particles.

It was shown that fracture strain after necking can be estimated using size and spacing of inclusions when considerable void growth occurs before final rupture; however, in the cases in which negligible void growth occurs due to a very small inclusion spacing, the proposed model is not appropriate. The austenite content and the mechanical properties of the matrix should also be considered. The heat-treatment significantly improved the fracture toughness JIc of the weld metal and the HAZ by factors of 2 and 2.7, respectively. However, unstable propagations were occurred into the weld metal in the case of all the JIc tests performed on the HAZ. This is due to the detrimental effect of the very small inclusion spacing in the microstructure of the weld metal, resulting in an immediate coalescence of the nucleated micro-voids.

Titre traduit

Microstructure et propriétés de mécanique de rupture des aciers inoxydables martensitiques 13% Cr-4% Ni

Résumé traduit

Les aciers inoxydables martensitiques 13% Cr-4% Ni sont utilisés pour la fabrication des roues hydroélectriques dû à leurs haute résistance et ténacité, ainsi que leurs bonnes résistances contre corrosion et érosion par cavitation. Puisque les roues des turbines hydrauliques sont sujet à des contraintes cycliques, la fissuration par fatigue est la source principale d’endommagement durant leur vie utile, et donc des inspections régulières sont réalisées en vue de vérifier la gravité des dommages et conduire des réparations requises.

Le but principal de cette étude est de caractériser les comportements à rupture des matériaux des roues hydroélectriques i.e. les versions coulée (CA6NM), corroyée (415), et métaux d’apport (410NiMo). La possibilité d’établir les relations entre comportement à rupture, caractéristiques inclusionnaires et teneurs en austénite a motivé l’étude. Les taux de triaxialité des contraintes ST ont été mesurés dans la région de striction à partir des échantillons cassés suite à des essais de traction, et la micromécanique de rupture a été caractérisée en utilisant le modèle modifié de Rice et Tracey qui décrit la rupture ductile en termes de relation entre la croissance d’une vide et ST. La Mécanique Linéaire-Élastique de la Rupture (MLER) n’est pas applicable pour les petits échantillons des matériaux ductiles, tels que les aciers inoxydables martensitiques 13% Cr-4% Ni, parce qu’une plastification généralisée survient lors de l’essai KIc. L’approche de Mécanique Élasto-Plastique de la Rupture (MEPR) est donc nécessaire pour mesurer le taux de libération de l’énergie de déformation (J) de cette catégorie des aciers inoxydables. Le comportement de la propagation stable de la fissure dans le substrat (CA6NM), les matériaux d’apport, et la Zone Affectée Thermiquement (ZAT) a été caractérisé lors de l’essai JIc. Le substrat a été examiné à l’état traité thermiquement, alors que le matériau d’apport et la ZAT ont été examinés dans les deux conditions de brut de soudage et de traité thermiquement. Les faciès de ruptures ont été examinés à l’aide d’un microscope électronique à balayage (MEB) couplé à un spectromètre à rayons X à dispersion d’énergie.

Il a été montré que la déformation subie après la striction peut être estimée par la taille et l’espacement inclusionnaire quand la croissance des vides est importante avant la rupture finale; cependant, dans le cas où la croissance des vides est négligeable dû à un espacement inclusionnaire très petit, le modèle proposé ne convient pas. La teneur en austénite et les propriétés mécaniques de la matrice devraient également être considérées. Le traitement thermique a considérablement amélioré la ténacité JIc de la soudure et la ZAT par des facteurs de 2 et 2.7, respectivement. Cependant, des propagations instables ont été surviennent dans la soudure lors de tous les essais JIc effectués dans la ZAT. Ceci est dû à l’effet néfaste de très petit espacement inclusionnaire qui résulte en une coalescence immédiate des micro-vides.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Article-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 98-136).
Mots-clés libres:	ténacité JIc, propagation stable de la fissure, propagation instable, inclusion
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bocher, Philippe
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	25 nov. 2021 18:40
Dernière modification:	25 nov. 2021 18:40
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2796

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