Metallurgical evolution and creep strength of 9-12% Cr heat resistant steels at 600°C and 650°C

par Clara Panait

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Soutenue en 2010

à Paris, ENMP .

  • Titre traduit

    Évolution métallurgique et résistance en fluage à 600°C et 650°C d'aciers à 9-12% Cr


  • Résumé

    Les aciers martensitiques à 9-12% Cr sont utilisés pour applications à haute température notamment comme composants dans des centrales thermiques de production de l'électricité. Ces composants sont soumis à des phénomènes de fluage, vieillissement thermique, fatigue, oxydation, corrosion. Cette étude vise une meilleure compréhension de l'évolution métallurgique à long terme des aciers martensitiques à 9-12% Cr, ainsi que de son influence sur la résistance en fluage à 600 et 650°C. Le matériau de l'étude est l'acier Grade 92. La littérature manque de données quantitatives sur la microstructure de l'acier Grade 92 après des temps prolongés d'exposition au fluage ou au vieillissement thermique (temps supérieurs à 10. 000h) à 600°C et 650°C. Par conséquent, dans un premier temps une expertise d'éprouvettes de fluage testées à 600°C et 650°C pendant des temps allant jusqu'à 50. 000h a été réalisée par microscopie électronique en transmission (MET) sur des répliques extractives, microscopie électronique à balayage (MEB) et par diffraction des électrons rétrodiffusés. Cette expertise a révélé une précipitation significative de phase de Laves, une restauration de la matrice et une très faible précipitation de la phase Z-modifiée. Une quantification de l'endommagement et des phases de Laves a été réalisée à partir des micrographies MEB. La précipitation significative des phases de Laves et la restauration de la matrice semblent être les mécanismes prédominants de l'évolution métallurgique à 600°C et 650°C de l'acier Grade 92. Afin d'étudier séparément l'influence de chacun de ces deux mécanismes sur la résistance au fluage, des essais de fluage ont été réalisés sur des éprouvettes pré-vieillies et sur des éprouvettes pré-fatiguées. Des éprouvettes entaillées ont été également utilisées. L'intérêt des éprouvettes pré-vieillies est d'étudier l'influence de grosses phases de Laves sur la résistance au fluage. Le temps à rupture des éprouvettes pré-vieillies est quatre fois plus faible que celui des éprouvettes standard pour les mêmes niveaux de contraintes. Ceci n'est toutefois pas confirmé pour les contraintes les plus faibles. Deux essais de fluage ont été réalisés sur des éprouvettes pré-fatiguées à 550°C pour étudier l'effet de l'état de la matrice sur la résistance au fluage. Un temps à rupture deux fois plus faible a été observé à 600°C sur une éprouvette pré-fatiguée comparée à une éprouvette standard pour le même niveau de contrainte. Cet effet n'a pas été observé à 650°C pour les contraintes faibles. Des éprouvettes entaillées ont été également utilisées pour étudier l'influence du taux de triaxialité des contraintes sur le développement de l'endommagement par fluage. Pour des temps de fluage comparables, l'endommagement est plus développé dans une éprouvette entaillée que dans une éprouvette lisse. Un modèle mécanique qui prend en compte l'évolution métallurgique de l'acier a été développé pour estimer la résistance au fluage " à long terme " de l'acier Grade 92 à 600°C et 650°C. Le modèle prend également en compte le taux de triaxialité des contraintes. A ce titre, il peut être utilisé pour estimer la durée de vie des composants en service ou pour analyser les composants avec une géométrie complexe qui serait plus sensible au développement de l'endommagement par fluage, du fait d'une triaxialité des contraintes plus élevée.


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    9-12%Cr tempered martensite steels are used for high temperature (400-600°C) especially applications in components of fossil power plants, such as tubes, pipes, heaters. These components are exposed to creep, thermal aging, fatigue, oxidation, corrosion. The development of advanced heat resistant steels with improved long-term creep strength relies on a better understanding of the long-term microstructural evolution and of its influence on the creep strength. This study aims at better understanding of the effect of microstructural evolution on long-term creep strength at 600°C and 650°C of a Grade 92 steel. There are rather few published data on the microstructure of the Grade 92 steel after long-term creep or thermal aging exposure (times higher than 10,000h) both at 600°C and 650°C. Thus, in a first part, P92 steel specimens that had been creep tested for times up to 50,000h at 600°C and 650°C were investigated using transmission electron microscopy on extractive replicas of precipitates, scanning electron microscopy and electron backscatter diffraction to get data on the microstructure of the Grade 92 steel after long-term exposure. These investigations revealed significant precipitation of Laves phases, recovery of the matrix and little precipitation of modified Z-phase. A quantification of the Laves phases and creep damage were realized by image analysis of scanning electron micrographs. Significant precipitation of Laves phase and recovery of the matrix seem to be the most prominent microstructural degradation mechanisms. To separately investigate the effect of each of these two mechanisms on creep strength, creep tests were conducted on thermally aged and thermo-mechanically prepared creep specimens. Creep tests were also conducted on notched specimens. Thermally aged creep specimens enable to study the effect of large Laves phases on the creep strength. A time to rupture four times lower was observed on the aged creep specimens compared to a standard creep test for same testing conditions. This seems not be confirmed, however, at low stresses. Two creep specimens thermo-mechanically prepared by creep-fatigue prestraining at 550°C were used to study the effect of the matrix substructure on the creep strength. A time to rupture twice lower was observed at 600°C (short-term creep) on a thermo-mechanically prepared creep specimen compared to a standard one for the same testing conditions. No such effect was detected at 650°C in the low stress regime. Creep tests were also conducted on notched specimens with various notch shapes to study the effect of stress triaxiality on creep damage. In notched specimens higher amounts of creep damage were observed compared to smooth specimens for similar testing time. A finite element mechanical model coupling microstructural evolution and creep damage was proposed to estimate the long-term creep strength of the Grade 92 steel at 600°C and 650°C. The model taking stress triaxiality into account might also be used to estimate the remaining life of service components and to analyze service components with complex geometry more sensitive to creep damage due to stress triaxiality.

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  • Détails : 1 vol. (355 p.)
  • Annexes : Bibliographie p. 269-281

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : EMP 160.328 CCL TH 1275
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  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : EMP 160.327 CCL TH 1275
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