Experimental study and simulation of cyclic softening of tempered martensite ferritic steels

par Pierre-François Giroux

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon.

Soutenue en 2011

à Paris, ENMP .

  • Titre traduit

    Étude expérimentale et modélisation de l'adoucissement cyclique des aciers ferritiques-martensitiques revenus


  • Résumé

    Inscrit au sein d'un grand projet aboutissant à la mise en œuvre des réacteurs nucléaires de génération IV, ce travail de thèse porte sur l'étude des aciers martensitiques revenus à 9 % de chrome. Actuellement utilisés pour des applications à haute température, notamment dans les centrales thermiques, ils présentent en fatigue et en fatigue-fluage un phénomène d'adoucissement mécanique et des évolutions microstructurales particulièrement prononcées : disparition de nombreux joints de sous-grains, baisse de la densité de dislocations, apparition et/ou grossissement de précipités et de nouvelles phases. Les objectifs principaux de cette thèse sont (i) d'établir expérimentalement une corrélation entre l'adoucissement mécanique des aciers à 9 % de chrome constaté en fatigue à 550 °C et l'évolution de leur microstructure au cours de ce type de sollicitation et (ii) de modéliser les mécanismes physiques de déformation afin de prédire le comportement mécanique de ces aciers sous chargement cyclique. Une étude des propriétés mécaniques en traction monotone et sous sollicitations cycliques à 550 °C a été conduite sur un acier de Grade 92 (9Cr-0,5Mo-1,8W-V-Nb). L'expertise des éprouvettes de traction suggère que l'adoucissement du matériau est principalement lié à une augmentation de la taille moyenne des sous-grains de plus de 15 % par rapport à l'état initial. L'étude de l'évolution de la contrainte macroscopique durant les essais cycliques montre que l'adoucissement du matériau est dû à la diminution de l'écrouissage cinématique. Les observations effectuées au MET montrent une augmentation de la taille moyenne des sous-grains comprise entre 65 et 95 % et une diminution de la densité de dislocations de plus de 50 % dans le matériau après les essais de fatigue, par rapport à l'état initial. Un modèle auto-cohérent à champs moyens fondé sur l'élastoviscoplasticité polycristalline, prédisant le comportement mécanique macroscopique du matériau et l'évolution microstructurale au cours de la déformation est proposé. En décrivant les mécanismes de déformation à partir d'observations microstructurales, le modèle utilise seulement deux paramètres ajustables (énergie et volume d'activation) liés aux mécanismes de déformation viscoplastique. Les valeurs de l'ensemble des autres paramètres sont fixées grâce à des mesures expérimentales ou des calculs issus de la littérature. Le modèle prédit correctement l'adoucissement macroscopique et donne une bonne tendance des évolutions microstructurales au cours de la déformation. L'étude paramétrique montre une bonne stabilité des prédictions dès lors que les paramètres expérimentaux varient dans un intervalle de mesure physiquement acceptable. Enfin, quelques perspectives d'amélioration du modèle sont testées et des essais de torsion cyclique avec et sans contrainte moyenne sont simulés.


  • Résumé

    The present work focuses on the high temperature mechanical behaviour of 9%Cr tempered martensite steels, considered as potential candidates for structural components in future Generation IV nuclear power plants. Already used for energy production in fossil power plants, they are sensitive to softening during high-temperature cycling and creep-fatigue. This phenomenon is coupled to a pronounced microstructural degradation: vanishing of subgrain boundaries, decrease in dislocation density, nucleation and/or growth of precipitates and new phases. This study aims at (i) linking the macroscopic cyclic softening of 9%Cr steels and their microstructural evolution during cycling and (ii) proposing a physically-based modelling of deformation mechanisms in order to predict the macroscopic mechanical behaviour of these steels during cycling. Mechanical study including uniaxial tensile tests and cycling at 550 °C was performed on a Grade 92 steel (9Cr-0,5Mo-1,8W-V-Nb). Examination of tensile specimens suggested that the physical mechanism responsible for softening is mainly the evolution of mean subgrain size, which increases by more than 15 % compared to the as-received state. The evolution of macroscopic stress during cycling shows that cyclic softening is due to the decrease in kinematic hardening. TEM observations highlighted that the mean subgrain size increases by 65 to 95 % while the dislocation density decreases by more than 50 % during cycling, compared to the as-received state. A self-consistent homogenization model based on polycrystalline elastoviscoplasticity, predicting the mechanical behaviour of the material and its microstructural evolution during deformation is proposed. This model takes the physical deformation mechanisms into account and only two adjustable parameters (activation energy and activation volume) linked to the viscoplastic deformation mechanisms are used. The value of other parameters were either experimentally measured or deduced from computations available in literature. The model correctly predicts the macroscopic softening behaviour and gives a good trend of the microstructural evolution during cycling. The parametrical study shows that the predictions of the model are rather stable with respect to the variation of the physically-based parameters. Finally, some hypotheses which permit us to improve the model are presented and torsion tests (with or without constant superimposed tensile stress) are modeled.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (172 p.)
  • Annexes : Bibliographie p. 159-172

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  • Bibliothèque : Mines ParisTech. Bibliothèque.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : EMP 160.712 CCL TH 1328
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  • Cote : EMP 160.711 CCL TH 1328
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