Ductile Fracture of 13% Cr-4% Ni Martensitic Stainless Steels Used in Hydraulic Turbine Welded Runners

Les aciers inoxydables martensitiques 13% Cr-4% Ni sont largement utilisé dans la fabrication des roues de turbine hydrauliques grâce à leurs bonne résistance contre corrosion et érosion par cavitation, ainsi que leurs excellentes propriétés mécaniques. Les versions coulée et corroyée de ces aciers sont utilisées, et les procédés de fabrication et réparations sont réalisés par soudage. D'un autre côté, l'existence des fissures de fatigue dans les pièces sous charges cycliques est inévitable. Quand la fissure a atteint une longueur critique, elle se propage et la rupture totale de la pièce en service pourrait avoir lieu. Les défaillances catastrophiques pourraient être inhibées et la durée de vie de la roue de turbine hydraulique pourrait être améliorée si cette longueur critique de la fissure est connue (tolérance aux dommages). Mécanique de la rupture nous permet de calculer cette longueur critique de la fissure en déterminant une propreté intrinsèque du matériau intitulée « ténacité ». Donc, la ténacité est une propriété très importante à considérer dans le choix des matériaux. Toutefois, la ténacité des aciers inoxydables martensitiques 13% Cr-4% Ni restait encore inexplorée. Des relations entre microstructure et propriétés mécaniques de ces aciers ne sont pas assez connues, et aucune étude exhaustive n'a été rapportée jusqu'à présent sur des effets des caractéristiques microstructurales comprise la distribution, la taille, et la nature des inclusions sur les propriétés mécaniques des aciers inoxydables martensitiques 13% Cr-4% Ni notamment pour les versions coulée, corroyée, et le métal d'apport. D'ailleurs, la zone affectée thermiquement (ZAT) est supposée d'être une source de faiblesse dans un joint soudé, cependant, son comportement à rupture n'a pas encore été étudié pour cette catégorie d'aciers inoxydables. Dans cette étude, les microstructures et les propriétés mécaniques d'une version coulé, une version corroyée, et la soudure des aciers inoxydables martensitiques 13% Cr-4% Ni ont été étudiées. Les microstructures et les caractéristiques inclusionnaires étaient liées à des propriétés à la traction, à la ténacité JIc, et à la résiliences Charpy. Des essais de ténacités JIc ont également été effectués dans la ZAT à une distance d'un millimètre de la ligne de fusion. Un bloc de rechargement de 450 × 250 × 60 mm a été fabriqué par soudage semi-automatique à l'arc avec fil fourré (procédé FCAW). La soudure déposée a été examinée dans les deux états de brut de soudage, et thermiquement traité à 600 °C pour deux heures.

Abstract

13% Cr-4% Ni martensitic stainless steels are widely used in the manufacture of hydraulic turbine runners due to their good resistance against corrosion and cavitation erosion, and high mechanical properties. Both cast and wrought versions of these steels are used, and the fabrication and repair processes are performed by welding. On the other hand, the existence of fatigue cracks in components under cyclic loading is inevitable. The propagation occurs if the crack length reaches a critical value, and a total breakdown of the in-operation component could take place. The catastrophic failures can be inhibited and the turbine runner lifetime can be improved if the critical crack length is known (damage tolerance). This critical crack length can be calculated by Fracture Mechanics defining an intrinsic property of the material entitled “fracture toughness”. Therefore, fracture toughness is a very important property to be concerned. However, fracture toughness of 13% Cr-4% Ni martensitic stainless steels still remains almost unexplored. The relations between the microstructure and mechanical properties of these steels are not well known as well, and no comprehensive investigation has been reported so far on the effects of the microstructural features including distribution, size, and types of inclusions on the mechanical properties of 13% Cr-4% Ni martensitic stainless steels, especially for the wrought version and the weld metal. Moreover, the heat affected zone (HAZ) is supposed to be a source of weakness in a welded joint, but its fracture behavior has not yet been studied for this category of stainless steels. In this study, the microstructures and mechanical properties of a cast and a wrought 13% Cr-4% Ni martensitic stainless steels as well as those of their matching weld metal were studied. Microstructures and inclusion characteristics were related to tensile, fracture toughness JIc, and Charpy V-notch fracture energy. Fracture toughness JIc tests were also performed in the HAZ, one millimeter far from fusion line. A semi-automatic flux cored arc welding process was used to fabricate a weld metal block of 450 × 250 × 60 mm. The deposited weld metal was tested in both as-welded and heat-treated conditions, and a heat treatment process at 600 °C for 2 hrs was used. The surface density, volume fraction, size and spacing of inclusions were measured on metallographic sections using optical microscopy, whereas the inclusion size was also measured using SEM.