Etude du lien entre traitement thermique, propriétés mécaniques et amorçage de la rupture fragile par clivage d'un acier faiblement allié trempé revenu - Matériaux (MAT)
Thèse Année : 2024

Experimental investigation of the relationship between heat treatment conditions, mechanical properties and cleavage brittle fracture initiation of a quenched and tempered low alloy steel

Etude du lien entre traitement thermique, propriétés mécaniques et amorçage de la rupture fragile par clivage d'un acier faiblement allié trempé revenu

Jean-Baptiste Delattre
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1421544
  • IdRef : 280589344

Résumé

Thick components for pressurized water reactor (PWR) power plants, such as the pressure vessel or steam generator, are obtained by forging and heat treatment of an ingot. At the end of this process, the quality heat treatment (QHT) gives the component its final properties. Typical steps in this process include austenitizing, followed by quenching and tempering. However, these components are very thick (between 100 and 700mm), which means that during quenching, a steep microstructural gradient is created, which in turn affects mechanical properties, particularly fracture properties. There is currently no systematic study, for a single material, of the relationship between heat treatment parameters, microstructure and fracture properties in the brittle range, for the low-alloy steels used for these components.This study provides the first experimental evidence for determining this relationship. Starting from a homogeneous material of industrial origin, 18 different heat treatments were carried out, varying the cooling rate after austenitization, the tempering temperature and the tempering time.These 18 microstructures were characterized in terms of tensile strength, impact strength and toughness. Notable differences were revealed: 75°C maximum difference between ductile-fragile transition temperatures and up to 70J difference in ductile upper shelf energies. The cooling rate is identified as the first-order parameter influencing mechanical and fracture properties. Tempering reduces differences in tensile properties between microstructures, but not the differences in fracture properties. A number of correlations have been revealed between striction and the upper shelf energy, or between the yield strength and the transition temperature. The critical cleavage stresses of certain microstructures were also determined by a campaign of tests on notched tensile specimens coupled with finite element analysis. These values were compared with those estimated from impact tests using a simplified method.A systematic fractography campaign on all fractured specimens in the brittle domain revealed a typology of initiation sites common to all microstructures. Initiation occurs predominantly on a manganese andmolybdenum enriched carbide located at a grain boundary and averaging 0.85 µm in size. This is the first time that a generic initiation pattern has been directly demonstrated for such microstructural variability. This result provides a new basis for micromechanical modeling of cleavage initiation in tempered ferritic steels.
Les composants épais des centrales à réacteurs à eau pressurisée (REP) comme la cuve ou le générateur de vapeur sont obtenus par forgeage et traitements thermiques à partir d'un lingot. À la fin de ce processus, le traitement thermique de qualité (TTQ) donne au composant ses propriétés finales. Les étapes typiques de ce traitement consistent en une austénitisation suivie d'une trempe et d'un revenu. Or les composants présentent une épaisseur importante (entre 100 et 700mm) qui entraine l'apparition, durant la trempe, d'un fort gradient microstructural et donc de propriétés mécaniques, notamment des propriétés à rupture. Il n'existe pas, à l'heure actuelle, d'étude systématique pour un même matériau de la relation entre paramètres de traitement thermique, microstructure et propriétés à rupture dans le domaine fragile, pour les aciers faiblement alliés utilisé pour ces composants.Cette étude vient apporter des premiers éléments expérimentaux pour déterminer ce lien. Partant d'un matériau homogène d'origine industrielle, 18 traitements thermiques différents ont été réalisés en faisant varier à la fois vitesse de refroidissement après austénitisation, température et durée de revenu.Ces 18 microstructures ont été caractérisées en traction, en résilience et en ténacité. Des différences notables ont ainsi été mises en évidence : 75°C de différence maximale entre les températures de transition ductile-fragile et jusqu'à 70J de différence pour les énergies au palier ductile. La vitesse de refroidissement est identifiée comme le paramètre d'influence au premier ordre sur les propriétés mécaniques et à rupture. Le revenu permet de réduire les écarts de propriétés en traction entre les microstructures mais pas les écarts de propriétés à rupture. Certaines corrélations entre la striction et l'énergie absorbée au palier ductile ou entre la limite d'élasticité et la température de transition ont été révélées. Les contraintes critiques de clivage de certaines microstructures ont également été déterminées par une campagne d'essais sur éprouvettes de traction entaillées couplée à une analyse par éléments finis. Ces valeurs ont été comparées à celles estimées à partir d'essais de résilience au moyen d'une méthode simplifiée.Par une campagne de fractographie systématique sur toutes les éprouvettes rompues dans le domaine fragile, une typologie de sites d'amorçage commune à toutes les microstructures a été déterminée. L'amorçage se produit de manière prépondérante sur un carbure enrichi en manganèse et molybdène localisé à un joint et de taille moyenne 0,85 µm. C'est la première fois qu'une configuration d'amorçage générique a été directement mise en évidence pour une telle variabilité microstructurale. Ce résultat fournit de nouvelles bases pour la modélisation micromécanique de l'amorçage du clivage dans pour les aciers ferritiques trempés revenus.

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  • HAL Id : tel-04719391 , version 1

Citer

Jean-Baptiste Delattre. Etude du lien entre traitement thermique, propriétés mécaniques et amorçage de la rupture fragile par clivage d'un acier faiblement allié trempé revenu. Matériaux. Université Paris sciences et lettres, 2024. Français. ⟨NNT : 2024UPSLM014⟩. ⟨tel-04719391⟩
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