Characterization of shrinkage porosity and fatigue properties of cast CA-6NM low carbon martensitic stainless steels

Meimandi, Shilan (2021). Characterization of shrinkage porosity and fatigue properties of cast CA-6NM low carbon martensitic stainless steels. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (47MB) | Prévisualisation

Résumé

Cast CA-6NM low carbon martensitic stainless steel is used for hydraulic turbine runner manufacturing since the sixties of the last century owing to its high strength, toughness, cavitation-erosion resistance and corrosion to withstand high cycle loads in long lifetime operation. The ideal microstructure consists of a martensitic matrix with some dispersed austenite after appropriate tempering which gives these steels their unique properties. However, these castings contain several types of defects which may have detrimental effects on the performance of the produced parts. Several aspects of the casting defect characterization in these steels have not been extensively studied in particular. The main objectives of this investigation include the characterization of the casting defects described in the following three sections.

In the first article, the relation between radiography mapping and actual macro-defect morphologies in several severity levels was studied destructively using the “Salami” crosssectioning to document the real shape and morphology of defects. Results of these experiments represented defects as macro-shrinkage porosities with extremely sharp endings. The distribution of porosity size was measured via Murakami’s geometrical parameter (V aera) and Feret’s diameter. Higher severity levels of macro-shrinkage porosities demonstrated defects with sharper endings and larger Murakami’s parameter. Metallographic characterization of cast microstructure was also performed to study both chemical composition and microstructure around macro-defects.

In the second part, uniaxial tension-tension low cycle fatigue testing (LCF) was conducted on the cast CA-6NM fatigue samples. The impact of defects position and sizing parameter (i.e., Murakami’s geometrical parameter (V area) on the fatigue life was studied. To this end, a two-dimensional (2D) SEM fractographic examination was performed on the fracture surfaces. The fatigue life generally diminished when the defect size increased. However, the position of the defect was also of critical importance. Moreover, the evolution of the shrinkage porosities during fatigue crack propagation and variation of geometrical factor Y(a) (considering linear elastic fracture mechanics (LEFM)) were investigated.

In the third part, non-destructive three-dimensional (3D) X-ray tomographic evaluation was performed before (i.e., pristine sample) and after (i.e., broken sample) fatigue failure. The results were compared with the two-dimensional (2D) fractographic observations. The 3D analysis provided the distribution of shrinkage porosities precisely and thoroughly. The defects possessed a tortuous and intricate morphology. Results after fatigue testing displayed that the position of shrinkage porosity was more effective than the size in initiating the fatigue crack.

Titre traduit

Caractérisation de la porosité par retrait et des propriétés en fatigue des aciers inoxydables martensitiques à faible teneur en carbone

Résumé traduit

L’acier inoxydable martensitique à faible teneur en carbone CA-6NM est utilisé pour le moulage de pales de turbines hydrauliques depuis les années 60 en raison de sa ténacité et de sa résistance mécanique, à la cavitation, à l’érosion et à la corrosion. Il est utilisé pour supporter grandes charges opératoires cycliques sur une longue durée de vie. C'est un revenu approprié qui donne à ces aciers leur microstructure idéale à savoir une matrice martensitique dans laquelle des ilots d'austénite sont dispersés. Cependant, ces pièces moulées contiennent plusieurs types de défauts qui peuvent avoir des effets néfastes sur les performances des pièces produites. Or, plusieurs aspects de la caractérisation des défauts de coulée dans ces aciers n’ont pas fait l’objet d’études approfondies. Les principaux objectifs des travaux décrits dans le présent document comprennent donc la caractérisation des défauts de coulée dans l'acier CA-6NM.

Dans le premier article, la relation entre la cartographie radiographique et la morphologie réelle des macro-défauts, classés selon différents niveaux de gravité, a été étudiée de façon destructive à l’aide de coupes transversales (tranches de salami). Cette étude démontre que la presque totalité des défauts observés consistent en des macroretassures comportant des terminaisons extrêmement effilées. La distribution de la taille de ces défauts a été mesurée grâce au paramètre géométrique de Murakami (V aire) et au diamètre de Feret. Des niveaux de gravité plus élevés ont montré des défauts avec des terminaisons plus fines et de plus grands paramètres de Murakami. Une caractérisation métallographique de la microstructure coulée a également été effectuée pour étudier la composition chimique et la microstructure autour des macro-défauts.

Dans la deuxième partie, des essais en fatigue oligocyclique (LCF) tension-tension uniaxiale ont été effectués sur des éprouvettes de fatigue moulées en CA-6NM. L’impact de la position des défauts et de leur taille (i.e., le paramètre géométrique de Murakami (V aire) sur la durée de vie des éprouvettes en fatigue a été étudié. À cette fin, un examen fractographique bidimensionnel (2D) a été effectué sur les faciès de rupture grâce à un MEB. La durée de vie en fatigue diminuait généralement lorsque la taille du défaut augmentait. Toutefois, la position du défaut était également d’une importance critique. De plus, l’évolution des défauts pendant la propagation des fissures de fatigue et la variation du facteur géométrique Y(a) (paramètre issu de la mécanique de la rupture élastique linéaire - LEFM) ont été étudiées.

Dans la troisième partie, une évaluation tomographique tridimensionnelle (3D) par rayons X a été effectuée avant (i.e., échantillon vierge) et après (i.e., échantillon brisé) la rupture par fatigue. Ces résultats ont été comparés à l’observation fractographique bidimensionnelle (2D) sur les faciès de rupture. L’analyse 3D a fourni la distribution des macroretassures avec précision et rigueur. Les défauts possédaient une morphologie tortueuse et complexe. Les résultats des essais en fatigue ont démontré que, dans le processus d'initiation de la fatigue, la position de la macroretassure était plus déterminante que sa taille.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 135-143).
Mots-clés libres:	turbine hydraulique, macroretassures, acier inoxydable martensitique moulé, caractérisation, coupe transversale (tranche de salami), fractographie, tomographie à rayons X, fatigue
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Viens, Martin
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	08 févr. 2022 16:20
Dernière modification:	08 févr. 2022 16:20
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2882

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt