Littérature scientifique sur le sujet « Acier martensitique »

Les aciers martensitique inoxydables à durcissement structural sont un des matériaux constitutifs des mats réacteurs d'avion. Cette pièce est soumise aussi bien à des contraintes mécaniques qu'à des contraintes thermiques. Cette dernière engendre le vieillissement de ces aciers, du fait de la présence d'une lacune de miscibilité dans le diagramme Fe-Cr. Deux mécanismes sont possibles dans cette lacune de miscibilité, la précipitation d'une phase riche en chrome α' ou une démixtion suivant un mécanisme de décomposition spinodale. Cette thématique est l'objet du projet PREVISIA financé par l'ANR, dont cette thèse fait partie. Des vieillissements ont été effectués sur l'acier 15 5 PH jusqu'à 15 000 h afin d'étudier la cinétique de vieillissement par décomposition spinodale et son effet sur les propriétés mécaniques de l'alliage en traction, résilience et ténacité. Le vieillissement de l'acier engendre ainsi un durcissement et une fragilisation de l'alliage. De plus, des analyses microstructurales ont permis de mettre en lumière les différents stades de vieillissement, qui correspondent aussi bien à la décomposition spinodale qu'à un complément de phase durcissante. La dureté permet aussi bien de suivre le niveau de vieillissement de l'acier que de déterminer les différentes phases de durcissement. L'effet d'une contrainte appliquée tout au long du vieillissement sur la cinétique de vieillissement a été étudié. Une contrainte de type traction semble ainsi augmenter pour des contraintes élevées le durcissement induit par le complément de précipitation de la phase durcissante, mais aussi accélérer le vieillissement sur les temps de vieillissement plus longs. Une analyse multi échelle est ainsi proposée afin d'expliquer ces différents résultats
Precipitation hardened martensitic stainless steels are constitutive of aircraft pylons. During there lifetime , these parts are subjected to mechanical loading and work in temperature. This last induces embrittlement of the steels, because of the miscibility gap in the Fe-Cr phase diagram. Two mechanisms are possible to lead to the demixing of the matrix, either precipitation of α', a chromium rich phase, or spinodal decomposition mechanism. This phenomena is the topic of the project PREVISIA, funded by the ANR, this work is part of. Long term agings have been performed on 15 5 PH stainless steel up to 15 000 hours in order to study the aging kinetic and its effect on the mechanical properties in tensile, resilience and toughness. An embrittlement of the alloy is observed. Furthermore, microstructural analyses have been conducted and lead to the definition of different stages of long term aging corresponding to spinodal decomposition and complementary precipitation of hardening phase. Hardness tests is a usefull tool in order to follow the aging and to detect the different stages of aging. The effect of a stress applied during the long term aging has been studied. A tensile stress seems to have an influence on the complementary precipitation of the hardening phase and to increase the rate of hardening. A multi-scale analysise is proposed in order to explain all these results

Le domaine d'utilisation des aciers inoxydables martensitiques 12% cr s'est élargi grâce à l'introduction massive d'azote dans ces aciers. En service, ces matériaux subissent d'importantes sollicitations thermomécaniques. La connaissance de leur comportement en fatigue apparaît indispensable. Le principal objectif de ce travail est de comprendre l'influence de la composition chimique sur le comportement mécanique en fatigue à température ambiante et la plasticité cyclique d'aciers martensitiques type 12% cr. Dans le cas présent, l'étude du rôle de l'azote ne peut se faire sans considérer celui du silicium dont la présence est inhérente aux méthodes d'élaboration. Nous proposons de déterminer les paramètres et mécanismes qui gouvernent l'endommagement d'aciers à structure martensitique en lattes. Les modifications microstructurales profondes observées lors de l'échange partiel du carbone par de l'azote dans des nuances type 12% cr provoquent une augmentation des niveaux de contrainte, une modification de l'endommagement en surface et de l'arrangement des dislocations. Les observations réalisées en microscopies électroniques à balayage et en transmission permettent d'établir un lien clair entre l'endommagement en surface et la localisation de la déformation plastique pour chaque nuance d'aciers étudiée. Le comportement en fatigue des nuances à l'azote est fortement influence par la présence de silicium. L'augmentation de la teneur en cet élément provoque une élévation importante des contraintes, un endommagement en surface réduit et un arrangement plus difficile des dislocations en cellules. La présence du silicium augmente fortement les valeurs des contraintes effectives, ce qui indique une modification des interactions à courte distance. Des mesures d'énergie de déformation plastique cyclique reliées aux structures de dislocations observées dans les nuances à l'azote permettent de proposer un mode d'endommagement graduel des lattes de martensite. Une relation comportement mécanique-microstructure est alors possible.

A partir des caracteristiques electrochimiques de la corrosion par piqures des aciers inoxydables, mise au point d'une methode d'etude basee sur la mesure du potentiel de rupture e::(r) en mode potentiodynamique. Application a l'etude du comportement et a la classification de differentes nuances d'acier inoxydable martensitique a 13% de chrome. Mise en evidence de l'influence des inclusions presentes dasn l'acier sur sa piquration

Le present travail concerne l'etude thermo-mecanique du cisaillement adiabatique. Dans la premiere partie, la loi de comportement thermo-visco-plastique d'un acier martensitique de type 35 ncd 16 est determinee. Pour l'etablir, de nombreux essais ont ete necessaires sous sollicitations statique et dynamique. Une methode inverse a ensuite ete utilisee pour identifier les differents coefficients intervenant dans le modele. Pour generer des bandes de cisaillement adiabatique, deux methodes experimentales ont ete mises en uvre. La premiere, tres classique, utilise un dispositif de barres de torsion dynamique. La seconde emploie un montage place entre des barres de compression dynamique de type hopkinson, qui cree les bandes de cisaillement par poinconnage. Parallelement, des releves de temperature ont ete faits suivant la generatrice des eprouvettes de torsion. Une technique de pyrometrie infrarouge a ete utilisee afin de determiner l'emission infrarouge a la surface de l'echantillon. Le systeme experimental est base sur un detecteur 16 voies couplees a 16 fibres optiques, permettant de disposer d'autant de mesures independantes. Des temperatures relativement importantes ont ete mesurees, superieures a 750c. Une approche numerique des essais de torsion a ete effectuee a partir d'un modele en cisaillement simple avec ou sans effet d'inertie. L'utilisation d'un modele par differences finies a permis d'identifier l'incidence de differents parametres sur l'apparition, la propagation et la stabilite des bandes de cisaillement adiabatique. L'utilisation d'un code de calculs par elements finis a permis de developper un modele bi-dimensionnel de propagation de bandes a partir d'un defaut localise, toujours base sur un cisaillement simple. Une correlation simulation-experience met en avant le probleme lie a la determination de la taille initiale du defaut dans la structure

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
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

Le développement d'un nouvel assemblage de combustible nucléaire pour réacteur à eau pressurisée, a conduit à étudier de façon approfondie la métallurgie et le comportement en service de l'acier inoxydable martensitique à durcissement structural z 3 cnda 13-08. Ce travail s'est intéressé plus particulièrement aux phénomènes de vieillissement thermique et de fragilisation par l’hydrogène. Dans chaque cas, l’étude, par des essais mécaniques et examens microstructuraux, a tout d'abord mis en évidence les phénomènes, puis établi leurs conditions d'apparition et enfin, déterminé leurs conséquences sur les propriétés d'emploi de l'alliage. Les résultats acquis montrent qu'un maintien de longue durée dans la plage de températures 300-450\c conduit à un durcissement intense de l'acier. Cette augmentation de dureté s'effectue selon quatre étapes distinctes, et procède au départ, par une demixtion de la phase martensitique. Il est mis en évidence que l'application d'une contrainte accélère ce processus de vieillissement. Ceci entraîne, outre une augmentation des propriétés de résistance, un décalage important de la température de transition ductile-fragile. L'acier est sensible à l’hydrogène en milieu gazeux et aqueux. Une faible quantité d’hydrogène dissous réduit fortement la ductilité et affecte les propriétés de résistance et de plasticité. Il est montré cependant, qu'en présence d’hydrogène, la fragilité n’apparaît sur des feuillards, que dans des conditions d'essai très sévères (essais de traction lente), et se caractérise par du quasi-clivage. Le cycle de traitement de revenu influe également sur le comportement de l'acier. La quantification des phénomènes étudiés a permis, dans certains cas, de constituer des modèles physiques et phénoménologiques. Ces modèles sont explicites.