Etude expérimentale et modélisation du comportement, de l'endommagement et de la rupture en fluage à haute température de joints soudés en acier 9cr1Mo-NbVS

par Vincent Gaffard

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Jacques Besson.

Soutenue en 2004

à Paris, ENMP .

mots clés

• Acier 9Cr1Mo-NbV
• Acier martensitique
• Soudures
• Centrales thermiques
• Chrome -- Alliages
• Résistance des matériaux
• Matériaux -- Effets des hautes températures
• Matériaux -- Fluage
• Éléments finis, Méthode des
• Métaux -- Rupture

Résumé

L’étude réalisée avait pour objectif d’identifier expérimentalement et de modéliser le comportement, l’endommagement et la rupture en fluage haute température (typiquement dans le domaine de température 450°C - 650°C) de composants soudés en acier 9Cr1Mo-NbV. Pour cette étude, le métal de base a d’abord été étudié comme matériau de référence. Il est notamment démontré que les résultats expérimentaux à 1000 heures ne peuvent pas être utilisés, comme il est usuel de le faire, pour prédire la durée de vie en fluage à 100000 heures. La raison de cette impossibilité est l’existence d’un changement de mécanisme de comportement et d’endommagement aux temps longs. Pour représenter ce changement de mécanisme, un modèle de fluage couplant comportement et endommagement et intégrant plusieurs mécanismes de déformation a été développé suivant les développements de la mécanique des milieux poreux initiés par Gurson. Le modèle a été identifié sur la base de résultats expérimentaux sur diverses géométries d’éprouvettes permettant notamment de prendre en compte les effets de la triaxialité sur le développement de l’endommagement. L’attention a ensuite été portée à la tenue en fluage des composants soudés qui présentent une résistance au fluage très inférieure à celle du métal de base due à la faiblesse de la zone affectée thermiquement (ZAT). D’une part, le soudage induit des modifications métallurgiques et donc des modifications locales des propriétés mécaniques du métal de base : c’est un effet matériau. D’autre part, les différences de propriétés mécaniques rendent complexes l’état de chargement de l’assemblage soudé : c’est un effet de structure.

Titre traduit

Experimental study and modelling of high temperature creep flow and damage behaviour of 9Cr1Mo-NbV steel weldments

Résumé

The present study aimed at experimentally determining and then modelling the high temperature creep flow and damage behaviour of both 9Cr1Mo-NbV steels and weldments (typically in the temperature range from 450°C to 650°C). The base metal was first studied as the reference material. It was especially evidenced that tempered chromium martensitic steels exhibit a change in both creep flow and damage behaviour for long term creep exposure. As a consequence, the classically performed extrapolation of 1,000 hours creep data to 100,000 hours creep lifetime predictions might be very hazardous. Based on experimental observations, a new model, integrating and coupling multiple creep flow and damage mechanisms, was developed in the framework of the mechanics of porous media. It was then successfully used to represent creep flow and damage behaviour of the base metal from high to low stress levels even for complex multiaxial loading conditions. Although the high temperature creep properties of the base metal are quite good, the occurrence of premature failure in weldments in high temperature creep conditions largely focused the attention of the scientific community. The lower creep strength of the weld component was also experimentally confirmed in the present study. The evaluation of creep flow and damage behaviour of the weldment requires two types of investigations, namely, the determination of the effect of welding on creep strength of the material especially in the heat affected zone (HAZ), and the investigation of the effect of the mismatch in creep properties between the weld metal, the base metal and the HAZ.