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École Nationale Supérieure des Mines de Paris (2004-12-13), Jacques Besson, Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon (Dir.)
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Étude expérimentale et modélisation du comportement, de l'endommagement et de la rupture en fluage de joints soudés en acier 9Cr1Mo-NbV
Vincent Gaffard1

Les aciers inoxydables martensitiques au chrome sont développés depuis les années 70 avec pour objectif aujourd'hui de les utiliser comme matériau de structure dans les centrales thermiques (Circuits de refroidissement, turbine) et nucléaires (Cuve du réacteur...). L'acier de l'étude i.e. l'acier 9Cr1Mo-NbV est déjà utilisé dans des centrales thermiques principalement en Angleterre et au Japon. Compte tenu de l'importance des composants, l'assemblage par soudage est une technique largement utilisée. Un intérêt tout particulier est porté dans cette étude à l'évaluation de la durée de vie des composants soudés en acier 9Cr1Mo-NbV après la constatation de plusieurs ruptures en service prématurées au niveau des soudures.
L'étude réalisée avait donc 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'étude a par ailleurs mis en évidence une bonne capacité du modèle à prédire les lieux de rupture ainsi que l'amorçage et la propagation stable de fissure.
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). Pour ce faire, deux niveaux d'investigation ont du être explorés. 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.
L'effet matériau a été étudié en identifiant la ZAT faible des composants soudés, en la reproduisant sur échantillons massifs, puis en testant des éprouvettes de fluage usinées dans ces mêmes échantillons massifs. Il a été ainsi possible d'utiliser le modèle multi-mécanismes développé pour l'étude sur métal de base afin de modéliser le comportement et l'endommagement de fluage haute température de la ZAT faible dans toute la gamme de contrainte.
Finalement, des calculs éléments finis multi-matériaux ont été réalisés en considérant le composant soudé comme l'assemblage de trois microstructures : le métal d'apport, le métal de base et la ZAT faible dont les équations constitutives respectives ont été intégrées aux calculs. Il a ainsi été possible d'identifier les effets de type structure mais surtout de prédire la durée de vie des composants soudés en acier 9Cr1Mo-NbV y compris pour des composants industriels.
1:  MAT - Centre des Matériaux
Joint soudé – 9Cr1Mo-NbV – modélisation – comportement – endommagent – rupture – fluage – haute température

Experimental study and modelling of high temperature creep flow and damage behaviour of 9Cr1Mo-NbV
Chromium martensitic stainless steels are under development since the 70's with the prospect of using them as structural components in thermal and nuclear power plants. The modified 9Cr1Mo-NbV steel is already used, especially in England and Japan, as a material for structural components in thermal power plants where welding is a commonly used joining technique. New generations of chromium martensitic stainless steels with improved mechanical properties for high pressure and temperature use are currently under development. However, observations of several in-service premature failures of welded components in 9Cr1Mo-NbV steel, outline a strong need for understanding the high temperature creep flow and damage behaviour of 9Cr1Mo-NbV steels and weldments.
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.
To do so, the microstructure of the weakest HAZ was first reproduced on bulk specimens. These specimens were used to experimentally investigate the creep flow and damage behaviour of the weakest HAZ microstructure. The results of experiments allowed to fit a creep model for the simulated HAZ derived from the one designed for the base metal.
The integration of constitutive equations of base metal, weld metal and simulated HAZ in finite element calculations of the heterogeneous weldment allows to study the effect of mismatch on creep properties and finally to predict creep lifetime of 9Cr1Mo-NbV welded components.
Steel weldment – 9Cr1Mo – NbV – Modelling – Creep flow – Damage behaviour – High temperature

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