Influence of the Discontinuities on the Fatigue Behavior of Welded 410NiMo Turbines

La durée de vie en fatigue des turbines hydroélectriques est principalement limitée par la défaillance en fatigue des pièces soudées en raison de la présence de discontinuités. Ainsi, il est essentiel de comprendre l'influence des discontinuités sur la résistance à la fatigue des matériaux afin de planifier l'inspection, la maintenance et la prédiction de la durée de vie en fatigue. Sur la base des investigations expérimentales et théoriques, divers outils de conception ont été développés pour prédire la résistance à la fatigue et la durée de vie du matériau soudé 410NiMo largement utilisé dans la fabrication de turbines hydroélectriques. Cependant, les outils de conception disponibles, tels que le diagramme Kitagawa-Takahashi, ne sont pas en mesure de prédire avec précision la résistance à la fatigue et la durée de vie. Leur précision et fiabilité sont remises en question. En 2019, un partenariat international en collaboration avec Hydro-Québec, appelé Projet de Recherche International sur la Fatigue-Corrosion (FatCo), a été lancé dans le but principal d'étudier le comportement de la corrosion et de la fatigue de l'alliage 13%Cr-4% Ni dans les turbines hydroélectriques. Dans le contexte du projet FatCo, l’objectif de cette recherche est d’analyser l’impact des discontinuités sur la résistance à la fatigue du matériau soudé 410NiMo. Dans ce projet, deux parties d'analyse par éléments finis et d'essais de fatigue expérimentaux sont présentés. Les caractéristiques des discontinuités telles que le facteur de concentration de contrainte (kt), l'exposant de singularité (α) et la taille de la zone de contrainte maximale ont été déterminées par l'analyse par éléments finis (AEF). Un plan expérimental faisant intervenir des discontinuities artifielles a été élaboré à partir de l'examen de la littérature et des resultats dans AEF. Des entailles hémisphériques d'une profondeur de 0.2, 0.5, 1 et 2 mm, toutes avec la même acuité (ζ) de 1, ont été fabriquées sur des échantillons de fatigue. Les essais de fatigue ont été effectués selon la méthode en pas à R = 0.1 et N = 2×106 cycles. Les résultats expérimentaux et de l'AEF ont été utilisés pour proposer un diagramme KT modifié. Ce dernier a été comparé aux résultats analytiques d'autres théories d'entaille, telle que la théorie de la distance critique (TCD). Les résultats révèlent que la résistance à la fatigue des entailles ne suit pas la tendance estimée par la mécanique linéaire élastique de la rupture (MLER) presentée dans un diagramme de KT. Les différences entre la moyenne de la résistance à la fatigue des expériences et la prédiction MLER augmentent avec l'augmentation de la taille des entailles de 0.2 à 2 mm. Un diagramme KT modifié connu sous le nom de diagramme Atzori-Lazzarin a fourni une prédiction précise des données expérimentales. Étant donné que le champ de contrainte autour des entailles hémisphériques était différent de celui des fissures, l'exposant de singularité des entailles (α = 0.18) était inférieur à 0.5, ce qui concorde avec les valeurs prédites par la simulation par éléments finis (AEF). Selon les résultats, les points de transition de comportement en fatigue (a0,n et an*) ainsi que ΔKth pour les entailles hémisphériques étaient égaux à 0.1 mm, 4.7 mm et 178 MPa.m0.18, respectivement. Ces valeurs différaient de celles prédites pour les entailles de type fissure. De plus, l'étude a montré que lorsque les tailles des entailles (0.2 mm) se situent dans la plage de taille prés des discontuités, les fissures de fatigue peuvent s’amorcer à partir des discontinuités naturelles du matériau, et il y a une compétition entre l'entaille et les discontinuités de soudage pour des tailles de l’ordre 300 µm et moins.