Rupture fragile des liaisons bimétalliques en acier inoxydable dans le haut de la transition fragile-ductile

par Ghassen Ben Salem

Thèse de doctorat en Mécanique des matériaux

Sous la direction de Philippe Bompard et de Stéphane Chapuliot.


  • Résumé

    Les liaisons bimétalliques en acier inoxydable (LBM inox) permettent, au sein des réacteurs nucléaires français actuels, de connecter les gros composants en acier ferritique faiblement allié (cuve, pressuriseur, générateur de vapeur) à la tuyauterie du circuit primaire en acier austénitique inoxydable. De par leurs microstructure et propriétés mécaniques hétérogènes, ces liaisons sont des zones dites "sensibles" pour l'intégrité des structures et il est donc indispensable de caractériser leur tenue mécanique dans les situations de fonctionnement nominal et accidentelles. Ce travail de thèse a pour objectif d'évaluer le risque d'amorçage fragile de la LBM inox dans le haut de la transition fragile-ductile à l'aide d'un critère adapté. Les microstructures au voisinage de l'interface entre l'acier ferritique et le beurrage austénitique ont tout d’abord été caractérisées, et un liseré martensitique d’épaisseur variable ainsi qu’une couche entièrement austénitique ont été observés. Ces deux couches, qui sont le siège d’une intense précipitation de carbures pendant le traitement thermique de détensionnement, forment ensemble une couche dure de martensite et d’austénite carburées potentiellement fragile. Le comportement mécanique de l’ensemble de la LBM inox a ensuite été étudié à 20°C et à -175°C, et des lois de comportement élasto-plastiques isotropes ont été identifiées pour les différentes couches macroscopiques à partir d’essais de traction sur des éprouvettes multi-matériaux travers-joint à diamètre variable. Le comportement mécanique de la couche dure a, quant à lui, été caractérisé à partir d’essais in-situ sur des micro-éprouvettes usinées au FIB et testées à l’aide d’une micro-machine de traction développée dans cette thèse. Une étude des mécanismes de rupture de la LBM inox dans le domaine de la transition fragile-ductile a par ailleurs été réalisée à partir d’essais sur éprouvettes CT et a mis en évidence une fragilité de l’interface MA (entre martensite et austénite) liée à un mécanisme de rupture intergranulaire amorcée sur les carbures et systématiquement activé pour des fronts de préfissure traversant la couche dure. Une modélisation par éléments finis des essais a permis d’analyser les champs de contrainte sur l’interface MA et d’identifier un modèle de Weibull linéique à 3 paramètres basé sur une contrainte seuil et une distance seuil pour les éprouvettes CT. Finalement, l’effet du vieillissement thermique sur les LBM inox a été étudié à partir d’un traitement thermique de 10 000h à 400°C et un durcissement des couches austénitiques résultant d’un mécanisme de décomposition spinodale de la ferrite résiduelle a été mis en évidence à partir d’essais de traction. L’analyse des mécanismes de rupture à l’état vieilli a également montré que ce durcissement provoque une augmentation d’environ 30°C de la température de transition associée à la rupture intergranulaire de l’interface MA.

  • Titre traduit

    Brittle fracture of Stainless Steel dissimilar metal welds in the upper shelf of the brittle-to-ductile transition temperature range


  • Résumé

    Stainless steel dissimilar metal welds (SS DMW) are widely used within the French nuclear power plants where they connect the main components (pressure vessel, pressurisor, steam generator) made of low-alloy ferritic steel to the primary circuit pipes made of austenitic stainless steel. Because of their heterogeneous microstructure and mechanical properties, these junctions are critical components for the structure integrity and their fracture resistance has to be demonstrated for all the nominal or accidental operating conditions. This PhD work aims at building a model to evaluate the risk of brittle fracture of the SS DMW in the upper shelf of the brittle-to-ductile transition range. The observation of the microstructures around the fusion line revealed a martensitic layer and a fully austenitic zone, which undergo an important carbides precipitation during the post-weld heat treatment and form a narrow hard layer of carburized martensite and austenite. The mechanical behavior of the SS DMW was then characterized at 20°C and -175°C and isotropic elastoplastic constitutive laws were determined for each macro/mesoscopic layer of the weld from tensile tests on crossweld specimens with variable diameters. The mechanical behavior of the narrow hard layer was also studied with micro tensile tests on specimens extracted by FIB micro processing and tested using an in-situ tensile testing device developed during the PhD. Furthermore, fracture toughness tests were carried out on CT specimens in the brittle-to-ductile temperature range and helped identify the MA interface (between martensite and austenite) as the weakest region in the SS DMW because of an intergranular fracture mechanism initiated at the carbides-rich interface. This mechanism was consistently observed for specimens with fatigue precrack fronts in the hard layer. The stress distributions on the MA interface calculated from the FE numerical simulation of these tests were then analysed and a 1D 3 parameters Weibull model based on a threshold stress and a threshold length was identified for the CT specimens. Finally, the effect of thermal ageing on the SS DMW was explored with a thermal ageing treatment of 10000h at 400°C and a hardening of the austenitic layers was measured by tensile tests and was associated to a spinodal decomposition mechanism of the residual ferrite. The fracture mechanisms of the SS DMW were also analysed in the aged state and showed that this hardening caused an increase of the transition temperature associated with the intergranular fracture of the MA interface by about 30°C.


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