Étude expérimentale de l'effet du contenu inclusionnaire sur les propriétés mécaniques de résilience et de fatigue-propagation au seuil de soudures en acier 410 NIMO

Ce mémoire présente une étude de l'influence du contenu inclusionnaire sur le seuil de propagation des fissures de fatigue dans des soudures en acier inoxydable martensitique, plus précisément, il s'agit de soudures fabriquées à partir du métal de base CA6NM et du métal d'apport ER410NiMo. Ces deux matériaux font partie de la famille des aciers 13 %Cr – 4 %Ni, couramment utilisés dans la fabrication des roues de turbines hydrauliques. Les valeurs de seuil obtenues, serviront d'intrants à l'établissement du diagramme de Kitagawa, utilisé comme outil d'évaluation de la fiabilité des turbines hydrauliques. Afin d'obtenir des soudures avec des contenus inclusionnaires variés, différents procédés avec différents mélanges de gaz de protection ont été utilisés, menant à la fabrication des trois soudures suivantes : GMAW 100 %Ar, GMAW 85 %Ar – 15 %CO2, et FCAW 75 %Ar – 25 %CO2. Les densités d'inclusions obtenues ont été de 678 100, 2 729 400, et 2 203 000 inclusions par cm2 dans les trois soudures respectivement. L'analyse chimique semi-quantitative par EDX a montré que ces inclusions sont des oxydes, grâce à la détection d'un pic d'oxygène. À la suite du soudage, les soudures ont subi un traitement thermique de revenu à 600ºC pendant 20 heures, ce qui a permis de créer de l'austénite reformée. Cette dernière a été quantifiée par diffraction de rayons X, les proportions mesurées ont été de 21 %, 25 % et 27 % dans les soudures GMAW 100 %Ar, GMAW 85 %Ar – 15 %CO2, et FCAW 75 %Ar – 25 %CO2 respectivement. Des mesures de dureté ainsi que des cartographies de microdureté ont été réalisées, montrant un abaissement de la dureté de 18 %, 23 %, et 14 % respectivement par rapport à l'état brut de soudage, suite au traitement thermique de revenu. Alors que les contraintes résiduelles n'ont pas été mesurées, celles-ci sont supposées négligeables suite au traitement thermique prolongé qui a été réalisé, selon la littérature. Dans le but d'une caractérisation plus complète des matériaux étudiés, d'autres propriétés ont également été étudiées, en plus du seuil de propagation des fissures de fatigue. Il s'agit principalement des propriétés d'impact et des propriétés de traction. Les propriétés de traction mesurées n'ont varié que légèrement d'une soudure à l'autre. Les limites d'élasticité et les résistances à la traction obtenues ont été de 724 et 918 MPa pour le GMAW 100%Ar, 746 et 927 MPa pour le GMAW 85%Ar – 15%CO2, et 711 et 864 MPa pour le FCAW 75%Ar – 25%CO2. Les différences observées ont pu être expliquées en tenant compte du contenu en carbone, la proportion d'austénite reformée, et le contenu inclusionnaire dans chacune des soudures.

Abstract

The present thesis is an experimental study of the effect of the inclusion content on the fatigue propagation threshold of martensitic stainless steel weldments. More specifically, the studied weldments were made of CA6NM base metal and ER410NiMo filler metal. Both materials belong to the 13 %Cr – 4 %Ni family of steels, widely used to manufacture hydraulic turbine runners. The measured propagation thresholds, will serve as inputs to construct a Kitagawa diagram, used in reliability studies of hydraulic turbines. In order to obtain welds with various inclusion contents, different processes using different shielding gas mixtures were used. The following weldments were produced: GMAW 100 %Ar, GMAW 85 %Ar – 15 %CO2, et FCAW 75 %Ar – 25 %CO2, the inclusions were quantified in each weld, yielding densities of 678 100, 2 729 400, and 2 203 000 inclusions per cm2 respectively. EDS analysis, semi-quantitative method, of the inclusions showed a high oxygen content, which means the studied inclusions consist of oxides. The weldments then underwent post-weld heat treatment at 600ºC for 20 hours. Such treatment results in softening of the martensite, welding residual stress relaxation, and creation of reformed austenite. This latter was quantified by means of X-ray diffraction, the measured contents were 21 %, 25 % et 27 % in GMAW 100 %Ar, GMAW 85 %Ar – 15 %CO2, and FCAW 75 %Ar – 25 %CO2 respectively. Hardness measurements and microhardness mappings were realised as well, showing the softening effect of the tempering heat treatment. A hardness decrease of respectively 18 %, 23 %, and 14 % was noted, showing the softening effect of the tempering. Residual stresses were not measured but were supposed negligible based on literature and the lengthy tempering heat treatment that was applied. In the prospect of a more complete characterization of the studied weldments, the weldments were tested for other properties as well, consisting primarily of impact toughness and tensile tests. The measured tensile properties varied only slightly from a weld to another. The obtained yield stresses and ultimate tensile strengths were: 724 and 918 MPa for GMAW 100%Ar, 746 and 927 MPa for GMAW 85%Ar-15%CO2, et 711 et 864 MPa for FCAW 75%Ar-25%CO2. The small variations could be explained by the carbon content, the proportion of reformed austenite, and the inclusion content.