Thèse
Auteur :
Calonne Virginie

Date de soutenance :
01 juillet 2001

Directeur(s) de thèse :
Pineau André



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Propagation de fissure par fatigue dans les aciers austeno-ferritiques moulés: influence de la microstructure, du vieillissement et de la température d'essai


Résumé : A la température de service (320°C), la ferrite des composants en acier inoxydable austéno-ferritique du circuit primaire des centrales nucléaires subit un vieillissement par transformations microstructurales. Cette phase devient alors fragile et la résilience du matériau chute.
L'objectif de ce travail est d'étudier les vitesses et les mécanismes de propagation de fissure par fatigue en fonction du vieillissement et de la température d'essai (20°C/320°C). Pour cela, deux aciers moulés (30 % de ferrite) sont testés. Dans le but de mieux comprendre le rôle joué par l'orientation cristallographique des phases dans le mécanisme de propagation, la microstructure du matériau est étudiée par diffraction des électrons rétrodiffusés (ESBD) et par Trempe en Solidification Dirigée. Des éprouvettes sont également prélevées de telle sorte que la fissure se propage au travers de structures de solidification équiaxes et basaltiques. Microstructure, propriétés mécaniques en fatigue / fissuration et mécanismes sont alors reliés. Pour la gamme de delta K balayée, la fissure avance sans chemin préférentiel par une rupture successive des lattes de chacune de phases. Le plan macroscopique de fissuration, déterminé par ESBD, est imposé par l'orientation cristallographique du grain ferritique. Ainsi, selon la structure de solidification, des fissures secondaires peuvent apparaître ce qui influe sur les vitesses de propagation.
La fermeture de fissure, mesurée afin d'estimer les vitesses de propagation intrinsèques au matériau, diminue avec le vieillissement ce qui s'explique par l'accroissement de la composante cinématique du comportement plastique cyclique. La pente de la droite de Paris déterminée à partir de vitesses intrinsèques augmente avec le vieillissement. Le domaine de vitesse peut alors être séparé en deux parties: celle pour laquelle les vitesses sont plus faibles dans le matériau non vieilli et celle pour laquelle la tendance est inversée.Partie A. Introduction générale - 1
Partie B. Rappels bibliographiques - 11
Les différents types d'aciers inoxydables - 13
Chapitre 1. Fragilisation des aciers austéno-ferritiques - 21
1.1 - Transformation microstructurales dans la ferrite - 24
1.1.1 - Démixtion de la solution Fe-Cr1.1.2 - Précipitation de la phase G
1.1.3 - Phénomènes de fragilisation secondaires
1.2 - Durcissement de la phase ferritique - 29
1.3 - Mesure du vieillissement - 31
1.4 - Cinétique de vieillissement - 33
1.5 - Influence des paramètres métallurgiques - 35
1.6 - Influence des paramètres de fabrication - 37
1.7 - Conséquences du vieillissement sur les propriétés mécaniques - 39
Chapitre 2. Comportement cyclique - 43
2.1 - Remarques générales sur les boucles de fatigue - 47
2.2 - Mécanismes de déformation cyclique - 51
2.3 - Evolution de la phase (alpha)' sous sollicitations cycliques - 55
2.4 - Endurance - 59
2.4.1 - Influence de l'amplitude de déformation sur l'évolution des amplitudes de contraintes en fonction du nombre de cycles
2.4.2 - Influence du vieillissement et de la température d'essai sur la résistance à la fatigue
2.5 - Mécanismes d'amorçage et de propagation de fissure - 61
2.6 - Effet d'anisotropie lié à la texture du matériau - 63
2.7 - Conclusions - 66
Chapitre 3. Propagation de fissure par fatigue - 69
3.1 - Introduction - 71
3.2 - Influence du vieillissement - 75
3.3 - Influence du plan de propagation de fissure - 81
3.4 - Influence du rapport de charge - 85
3.5 - Influence de la température d'essai - 88
3.6 - Influence du milieu - 89
3.7 - Mécanismes de propagation de fissure - 90
3.7.1 - Mécanisme de rupture
3.7.2 - Chemin de fissuration
3.8 - Mécanismes de fermeture de fissure - 97
3.9 - Conclusions - 101
Partie C. Matériaux de l'étude - 103
Chapitre 4. Composition chimique et analyse inclusionnaire - 107
4.1 - Composition chimique - 108
4.1.1 - Analyse chimique
4.1.2 - Teneurs en ferrite
A - Méthodes de détermination de la teneur en ferrite
B - Teneurs en ferrite de nos matériaux
4.2 - Analyse inclusionnaire - 115
Chapitre 5. Structure du matériau - 117
5.1 - Macrostructure des matériaux - 119
5.2 - Microstructure des matériaux - 121
5.2.1 - Observation en microscopie optique
5.2.2 - Analyse par ESBD
a - Morphologie des grains
b - Etude cristallographique des grains
5.3 - Etapes de solidification - 129
5.3.1 - Etapes de solidification déterminées à partir des diagrammes de phases
5.3.2 - Etude expérimentale des étapes de solidification
a - Analyse thermique différentielle
b - Trempe en solidification dirigée
Chapitre 6. Propriétés mécaniques des matériaux - 153
6.1 - Dureté - 155
6.1.1 - Microdureté
6.1.2 - Cinétique de durcissement
6.2 - Traction - 157
6.2.1 - Acier austénique 316 LN
6.2.2 - Coude EK
6.2.3 - Coude n°1
6.2.4 - Conclusions
6.3 - Résilience - 167
Conclusions - 171
Partie D. Comportement mécanique et mécanismes de propagation de fissure par fatigue - 173
Chapitre 7. Fatigue oligocyclique - 175
7.1 - Etude du comportement cyclique du matériau - 177
7.1.1 - Mise en ?uvre expérimentale
7.1.2 - Tendances générales
7.1.3 - Influence de la ferrite
7.1.4 - Influence du vieillissement
7.1.5 - Influence de la température d'essai
7.2 - Evolution de la phase (alpha)§ avec les sollicitations cycliques - 200
7.2.1 - Mise en ?uvre expérimentale
7.2.2 - Conséquences de la sollicitation cyclique
7.2.3 - Mesure des énergies à rupture
7.2.4 - Discussion
7.3 - Conclusions - 210
Chapitre 8. Vitesses de propagation de fissure par fatigue - 213
8.1 - Mise en ?uvre expérimentale - 214
8.1.1 - Mesure de la longueur de fissure
8.1.2 - Chargement limite des éprouvettes
8.1.3 -Mesure de la fermeture de fissure
8.1.4 - Paramètres des essais
8.1.5 - Méthode de dépouillement des essais
8.2 - Influence du vieillissement - 233
8.2.1 - A l'ambiante
8.2.2 - A 320°C
8.2.3 - Discussion
8.3 - Influence de la température d'essai - 245
8.4 - Influence de la structure de solidification - 248
8.5 - Influence du rapport de charge - 250
8.6 - Conclusions - 253
Chapitre 9. Mécanismes de propagation de fissure par fatigue - 255
9.1 - Mécanismes de déformation, d'endommagement et de rupture - 257
9.1.1 - Mécanismes de déformation
9.1.2 - Mécanismes d'endommagement
9.1.3 - Mécanismes de rupture
9.2 - Propagation de fissure à l'échelle macroscopique - 281
9.2.1 - Observations sur sections polies et sur faciès de rupture
9.2.2 - Mesures de rugosité
9.2.3 - Discussion
9.3 - Détermination du chemin cristallographique de la fissure - 293
9.3.1 - Méthode de calcul des traces de fissure
9.3.2 - Détermination des plans de fissure
9.4 - Mesures de proportions de ferrite et d'austénite traversées par la fissure - 303
9.4.1 - Mesures le long de la fissure
9.4.2 - Mesures sur les surfaces de rupture
9.5 - Mesures des interstries - 313
9.6 - Conclusions - 317
Partie E. Discussion - 319
Partie F. conclusions et perspectives - 347
Références bibliographiques - 357
Annexes - 371
Annexe 1 - Electron Back Scatter Diffraction - 373
Annexe 2 - Fatigue oligocyclique - 377
Annexe 3 - Propagation de fissure par fatigue - Mise en ?uvre expérimentale - 383
Annexe 4 - Tableaux récapitulatifs des essais de propagation de fissure par fatigue - 391
Annexe 5 - Attaques métallographiques - 395

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