Étude expérimentale de la propagation de fissures de fatigue dans la zone affectée thermiquement de joints soudés de roues de turbines hydrauliques

Ce mémoire présente une étude expérimentale sur le comportement en fatigue-propagation en milieu aqueux de la zone affectée thermiquement de joints soudés de roues de turbines hydrauliques en acier inoxydable CA6NM. L'objectif primaire de ce projet était de déterminer les propriétés en fatigue-propagation de la zone affectée thermiquement. Des essais de fatigue-propagation en milieu aqueux ont été réalisés afin de déterminer le seuil de propagation ΔKseuil, et les paramètres de la loi de Paris C et m de la zone affectée thermiquement. Étant donné les potentielles incertitudes expérimentales associées à la propagation d'une fissure confinée à la zone affectée thermiquement, des essais de fatigue-propagation en milieu aqueux à variation du facteur d'intensité de contrainte (ΔK) constant ont été réalisés de manière à ce que la fissure traverse la zone affectée thermiquement. Ces essais ont permis de mieux apprécier la variation de la résistance à la propagation des fissures de fatigue entre les trois zones de la soudure, soient le métal d'apport, la zone affectée thermiquement et le métal de base. Pour atteindre ces objectifs, un plan expérimental a été mis en place. Une plaque de CA6NM a été soudée de manière à générer une couche de métal d'apport. La plaque soudée a été sciée en deux pièces identiques, dont une a subi un traitement thermique post-soudage afin d'en étudier l'effet sur le comportement en fatigue-propagation. Des éprouvettes de type compact tension ont été usinées à partir des plaques soudées. Des échantillons rectangulaires ont aussi été prélevés pour la caractérisation de la soudure. Des observations métallographiques et des mesures de diffraction aux rayons-X ont été réalisées dans les trois zones de la soudure (métal d'apport, zone affectée thermiquement et métal de base) afin d'en caractériser la microstructure. Cette caractérisation microstructurale, jumelée à des observations métallographiques du profil des fissures, ont été utiles afin d'identifier les effets microstructuraux agissant sur le comportement en fatigue-propagation. Des mesures de microdureté ont été réalisées à travers la soudure afin de quantifier la taille de la zone affectée thermiquement, et de permettre une caractérisation mécanique relative entre les trois zones de la soudure. Les contraintes résiduelles présentes dans les échantillons de fatigue ont été mesurées afin d'en déterminer l'influence sur le comportement en fatigue-propagation. Enfin, des observations des faciès de rupture ont été réalisées à l'aide d'un microscope électronique à balayage afin d'identifier les principaux mécanismes de rupture.

Abstract

This thesis presents the results of a comprehensive experimental study on the fatigue crack propagation behavior in aqueous environment of the heat affected zone of CA6NM stainless steel hydraulic turbine runner welds. The initial objective of this project was to determine the fatigue crack growth properties of the heat affected zone. To achieve this, standardized fatigue crack growth tests in aqueous environment were performed to determine the crack growth threshold ΔKth, and the Paris relationship constants C and m of the heat affected zone. Given potential experimental uncertainties arising from the growth of a crack confined to the heat affected zone, fatigue crack growth tests in an aqueous environment at constant stress intensity factor range (ΔK) were performed so that the crack would propagate across the heat affected zone. These tests allowed to better appreciate the fatigue crack growth resistance variation between the three zones of the weld, i.e., the filler metal, the heat affected zone and the base metal. Various experimental objectives were supplemented to these two primary objectives. A CA6NM plate was welded to generate a layer of filler metal over its entire surface. The welded plate was cut in two equal pieces, one of which was post-weld heat treated in order to study the effect of this treatment on the fatigue crack growth behavior. Compact tension type fatigue specimens were machined from the welded plates. Rectangular samples were also collected to allow the characterization of the weld. Metallographic observations and X-ray diffraction measurements of the three zones of the weld (filler metal, heat affected zone and base metal) were conducted in order to characterize the microstructure. This microstructural characterization combined with metallographic observations of the crack path profiles were useful in assessing the microstructural effects acting on the fatigue crack growth behavior of the weld. Microhardness measurements were carried out across the weld in order to quantify the heat affected zone width and to allow a relative mechanical characterization of the three weld zones. Residual stresses were measured in fatigue specimens to determine their influence on the fatigue crack growth behavior. Finally, the fracture surfaces were observed using a scanning electron microscope in order to identify the main fracture mechanisms. This work led to several conclusions about the fatigue crack growth behavior in aqueous environment of hydraulic turbine runner welds, and especially in the heat affected zone.