Comportement mécanique et oxydation d'alliages FeCrAl à haute température

par Gaëtan Merceron

Thèse de doctorat en Science et Génie des Matériaux

Sous la direction de Jean-Loup Strudel.

Soutenue en 2000

à Paris, ENMP .


  • Résumé

    Afin d'augmenter les performances des fours industriels, EDF et GDF participent au développement de systèmes de chauffage nécessitant l'utilisation de matériaux réfractaires. Ces matériaux doivent résister à une sollicitation mécanique (fluage) et à une sollicitation chimique (oxydation, nitruration. . . ) entre 1100\c et 1300\c. Deux alliages de type fecral ont été étudiés : l'alliage apm (fe20cr5al sans dispersoide) et l'alliage ma 956 renforcé par dispersion d'oxydes (fe20cr5al + y 2o 3). La présence d'une fine dispersion de particules d'yttrine améliore à la fois les propriétés mécaniques et le comportement face à l'oxydation. L'objectif de cette étude est de déterminer les paramètres pertinents pour le dimensionnement des éléments de chauffage face aux sollicitations mécanique et chimique pour les deux alliages (apm et ma 956). Les traitements d'oxydation menés à 1200\c et 1300\c ont montré l'effet bénéfique de la dispersion de particules d'yttrine sur les qualités protectrices de la couche d'oxyde développée sur l'alliage ods. Après plusieurs milliers d'heures, de film d'oxyde présente une bonne adhérence et un faible endommagement. Les évolutions de la couche d'oxyde (morphologie, adhérence. . . ) et du substrat (taux d'aluminium) ont été étudiés à partir de traitements isothermes et anisothermes de longue durées (jusqu’à 16 mois). La croissance de l'oxyde entraîne une diminution du taux d'aluminium du substrat. Un modèle permettant de prévoir l’évolution de ce taux d'aluminium en conditions isothermes a été établi à partir de la loi de croissance parabolique de l'oxyde. Pour les temps d'exposition les plus longs, ce taux d'aluminium atteint une valeur critique, estimées à 1,7% en masse, en dessous de laquelle l'alliage ne peut plus former de couche d'alumine continue et protectrice. Un régime d'oxydation catastrophique apparaît alors avec la formation d'oxydes de fer et de chrome conduisant à la ruine chimique de l’élément. Les caractéristiques mécaniques des deux matériaux ont été étudiées à partir d'essais de fluage en tension et en compression. Au dessus de 1100\c, le comportement de l'alliage apm se caractérise par une faible résistance mécanique (fluage sous quelques mpa) et une ductilité importante (>25%). Le développement d'un endommagement intergranulaire sous un sollicitation de fluage en tension entraîne une asymétrie de comportement entre les deux modes de sollicitation. Les propriétés mécaniques de l'alliage ma 956 sont très supérieures à celles de l'alliage apm. Un comportement viscoplastique apparaît uniquement pour les contraintes proches de la limite d'élasticité (entre 90 et 110 mpa) et se caractérise par des valeurs élevées des exposants de contrainte apparents (n 50) et des énergies d'activation apparentes (h a 1000 kj/mol). Sur une large partie du domaine d'élasticité (70 a 80%), aucun comportement viscoplastique n'est décelable sous une sollicitation de fluage en tension et la durée de vie des éprouvettes dépend alors de la répartition aléatoire des défauts initialement présent dans la structure étudiée (cavités, hétérogénités de répartition du dispersoide). L'alliage ods doit donc être considéré comme un matériau hétérogène. Pour les contraintes les plus faibles, les défauts initiaux ont une taille inférieure à la taille critique et la durée de vie dépend alors des évolutions microstructurales de la structure considérée dans les conditions de services. Des expositions de plusieurs mois à ces niveaux de température entraînent une coalescence des particules d'yttrine et des cavités présentes dans les pièces de ma 9856. Lévolution de ces paramètres microstructuraux conduit à une diminution de la résistance mécanique des pièces en ma 956 qui a été évaluée à partir d'essais de fluage. La prise en compte des deux types de dégradation (mécanique et chimique) après une longue exposition sous air permet d’établir un diagramme d'aide au dimensionnement des éléments de chauffage en fonction de ces deux types de sollicitation.


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Informations

  • Détails : 1 vol. (200 p.)
  • Annexes : 122 réf.

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  • Bibliothèque : Mines ParisTech. Bibliothèque.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : EMP 149.758 CCL.TH. 1028
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