Cleavage fracture of ferritic stainless steels 18Cr-2Mo : effect of precipitation and grain size
Rupture par clivage des aciers inoxydables ferritiques 18Cr-2Mo : influence de la précipitation et de la taille des grains
Résumé
Among stainless steel grades, ferritic stainless steels are used in many applications thanks to their corrosion resistance and attractive properties such as their thermal conductivity and ferromagnetic properties. Their residual nickel content make them economical steels compared to austenitic steels, which are more heavily produced. However, the use of this family of steels is limited by its relatively low toughness at room temperature and below, coming from the lattice friction of the body centered cubic structure that hinders plastic flow. Precipitation and grain size are two microstructural parameters that influence the ductile to brittle transition temperature of ferritic steels. The objective of this thesis is to study and understand the effect of these parameters on the ductile to brittle transition temperature and on the cleavage fracture of ferritic stainless steels containing 18% chromium and 2% molybdenum.To do so, three castings were produced with the same carbon and nitrogen content. Titanium or niobium were added to two of them. Thermomechanical treatments were chosen to produce six different microstructures for which the grain size, the nature and the location of the precipitation and the carbon and nitrogen content in solid solution vary. These microstructures are characterized by optical and electron microscopies and small-angle neutron scattering. The implementation of a tensile test with notched round specimens allows the determination of the cleavage fracture stress of each microstructure at 20 ° C and -40 ° C and discuss the brittle fracture mechanisms.The microstructures developed are finally divided into two groups. For Ti, Nb and NbG microstructures, for which the addition of titanium or niobium prevents the precipitation of chromium carbides and nitrides, the cleavage critical stress is dependent on the size and morphology of the intragranular particles. The 4 to 5 µm long cubic Ti (N, C) make the Ti microstructure more brittle than the Nb microstructure characterized by more numerous but smaller Nb (C, N). The grain size is a second order parameter on the cleavage fracture stress of these microstructures as shown by the study of the brittle fracture of the NbG microstructure, for which grain size is ten times larger.In CrP, Cr and Cr0 microstructures, the presence, or absence, of carbon and nitrogen in solid solution and intra and intergranular precipitations are the consequences of the chosen heat treatments. The presence of precipitates in the grain boundaries, even if they are small (few dozens to few hundred nm), significantly modifies the initiation of cleavage fracture and the value of the ductile to brittle transition temperature. The ductile to brittle transition temperature depends in the first order on the yield stress of microstructures. The cleavage fracture stress is no longer dependent on the size of the intragranular particles as in Ti, Nb and NbG microstructures but on the precipitation of chromium carbides and nitrides at the grain boundaries and on the dependence of the lattice friction stress on the solid solution (Smith's model).In the light of these results, alternatives to limit the embrittlement of ferritic grades are suggested.
Parmi les nombreuses nuances d’aciers inoxydables, les nuances ferritiques sont utilisées dans de nombreux secteurs grâce à leur résistance à la corrosion et à des propriétés spécifiques comme leur conductibilité thermique ou leurs propriétés ferromagnétiques. Leur teneur résiduelle en nickel en font des aciers économiques en comparaison des aciers austénitiques, plus massivement produits. Toutefois, l’utilisation de cette famille d’aciers en dessous de la température ambiante est limitée par sa fragilité mécanique, la moindre mobilité des dislocations dans le réseau cubique centré rendant l’écoulement plastique plus difficile aux basses températures. La précipitation et la taille des grains sont deux des paramètres microstructuraux qui influent sur la température de transition ductile/fragile des aciers ferritiques. L’objectif de cette thèse est d’étudier et de comprendre l’effet de ces paramètres sur cette température de transition et sur la rupture par clivage des aciers à matrice 100% ferritique contenant 18% de chrome et 2% de molybdène.Pour ce faire, trois coulées ont été élaborées avec la même teneur en carbone et en azote à laquelle s’ajoute, pour deux d’entre elles, du titane ou du niobium. La gamme de traitements thermomécaniques a été choisie pour fabriquer six microstructures distinctes pour lesquelles varient la taille des grains, la nature et la localisation de la précipitation et la teneur en carbone et en azote en solution solide. Ces microstructures sont caractérisées par microscopies optique et électroniques et par diffusion centrale des neutrons aux petits angles. La mise en place d’un essai de traction avec des éprouvettes axisymétriques entaillées permet de déterminer la contrainte de rupture par clivage de chaque microstructure à 20°C et à -40°C, puis de discuter des mécanismes qui régissent la rupture fragile.Les microstructures élaborées sont finalement classées en deux catégories. Pour les microstructures Ti, Nb et NbG, pour lesquelles l’ajout de titane ou de niobium permet d’éviter la précipitation de carbures et nitrures de chrome, la contrainte de rupture par clivage est dépendante de la taille et de la morphologie des particules intragranulaires. Les Ti(N,C), de 4 à 5 µm au maximum, dont la forme s’apparente à celle d’un cube, rendent la microstructure Ti plus fragile que la microstructure Nb caractérisée par des Nb(C,N), certes plus nombreux mais de plus petites dimensions. La taille des grains est un facteur de deuxième ordre sur la contrainte de rupture par clivage de ces microstructures comme cela est mis en évidence avec l’étude de la rupture fragile de la microstructure NbG, pour laquelle la taille des grains a été multipliée par 10 par rapport à celle de la microstructure Nb.Dans les microstructures CrP, Cr et Cr0, la présence ou non de carbone et d’azote en solution solide sursaturée et les précipitations intra et intergranulaires sont les conséquences des traitements thermiques choisis. Les précipités dans les joints de grains, même s’ils sont de petites dimensions (quelques dizaines à quelques centaines de nm), modifient significativement l’amorçage de la rupture par clivage. La température de transition ductile/fragile est, au premier ordre, dépendante de la limite d’élasticité des microstructures. La contrainte de rupture par clivage n’est plus dépendante de la taille des particules intragranulaires comme c’est le cas pour les microstructures Ti, Nb et NbG mais de la précipitation aux joints de grains et de la dépendance de la contrainte de friction de réseau à la solution solide (modèle de Smith).Au vu de ces résultats, des pistes pour limiter la fragilité des nuances ferritiques sont proposées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)