Prévision de la résistance en fatigue des soudures en acier inoxydable 410NiMo contenant des discontinuités

Un programme de recherche international sur la fatigue corrosion (FatCo), en collaboration avec l'institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ), a été lancé pour améliorer, entre autres, la fiabilité des installations hydroélectriques. Ce projet se concentre sur la dégradation de l'alliage, notamment le 13%Cr-4%Ni, largement utilisé dans la fabrication des turbines hydrauliques Francis, sous l’effet de la corrosion et des sollicitations cycliques. La problématique spécifique de l’étude actuelle a trait à la pérennité des turbines qui est souvent compromise par des discontinuités dans les joints soudés, telles que des inclusions internes et des manques de fusion. Celles-ci affectent considérablement la résistance en fatigue du matériau et doivent être prises en compte dans les calculs visant à prévoir la maintenance et la fin de vie des composants de la turbine. Hydro-Québec utilise actuellement l’approche de Kitagawa-Takahashi (KT) pour prévoir la résistance en fatigue des soudures en 410NiMo. C’est-à-dire que toutes indications linéaires mises en évidence lors de l’inspection suivant la fabrication sont assimilées à des fissures longues, telles quelles sont définies dans le cadre de la mécanique linéaire élastique de la rupture (LEFM). Cependant, des recherches récentes suggèrent que l'approche généralisée d'Atzori-Lazzarin (AL) pourrait offrir des prévisions plus justes de la résistance en fatigue, particulièrement en présence de discontinuités de grandes tailles produisant un gradient de contrainte différent de celui des fissures. En effet, cette approche, mieux adaptée aux entailles, tient compte de la distribution des contraintes locales spécifiques à la taille et la géométrie des discontinuités. L’objectif du mémoire est de prévoir la résistance en fatigue de soudures contenant de grandes discontinuités volumétriques, similaires à ceux rencontrés dans l’industrie. Pour ce faire, le procédé de soudage à l'arc avec fil fourré (FCAW) a été utilisé pour déposer des cordons de soudure de 410NiMo sur une plaque en acier S41500 préparée par usinage. Des résidus de flux ont été délibérément introduits le long de la racine de la soudure pour créer des discontinuités centrales allongées, de type vermiforme. Les discontinuités présentes dans les éprouvettes de fatigue ont d’abord été caractérisées par tomodensitométrie par rayon X (CT scan). Des analyses par éléments finis (FEA) ont été réalisées sur des modèles représentant l’éprouvette et sa discontinuité. Au total, l’analyse de 15 éprouvettes contenant chacune une discontinuité ayant des caractéristiques qui lui sont propres est présentée. Les FEAs permettent de catégoriser la sévérité des discontinuités en se basant sur le facteur de concentration de contrainte (k_t) et de l’exposant de singularité (α). À partir de ces résultats et de la résistance en fatigue du matériau sans défauts (〖〗_0), une prévision de la résistance en fatigue de la soudure en présence d’une discontinuité spécifique est proposée.

Abstract

An international research program on fatigue corrosion (FatCo), in collaboration with Hydro-Québec's research institute (IREQ), has been launched to improve, notably, the reliability of hydroelectric installations. This project focuses on alloy degradation, particularly 13%Cr-4%Ni, widely used in the manufacture of Francis hydraulic turbines, under the effects of corrosion and cyclic loading. The specific issue of the current study relates to the durability of turbines, which is often compromised by discontinuities in welded joints, such as internal inclusions and lack of fusion. These significantly affect the material’s fatigue strength and must be accounted in calculations aimed at predicting maintenance and component life expectancy. Hydro-Québec currently uses the Kitagawa-Takahashi (KT) approach to predict the fatigue strength of 410NiMo welds. That is, all linear indications during post-fabrication inspection are treated as long cracks, as defined within the framework of linear elastic fracture mechanics (LEFM). However, recent research suggests that the generalized Atzori-Lazzarin (AL) approach could provide more accurate fatigue strength predictions, especially in the presence of large discontinuities that produce a stress gradient differing from that of cracks. This approach, better suited for notches, considers the local stress distribution specific to the size and geometry of discontinuities. The objective of this thesis is to predict the fatigue strength of welds containing large volumetric discontinuities, similar to those encountered in industry. To achieve this, the flux-cored arc welding (FCAW) process was used to deposit 410NiMo weld beads onto a machined S41500 steel plate. Flux residues were deliberately introduced along the weld root to create central, elongated, wormlike discontinuities. The discontinuities present in the fatigue specimens were first characterized by X-ray computed tomography (CT scan). Finite element analyses (FEA) were conducted on models representing the specimen and its discontinuity. A total of 15 specimens, each containing a discontinuity with unique characteristics, were analyzed. The FEAs allowed categorization of the severity of the discontinuities based on the stress concentration factor () and the singularity exponent (α). From these results and the fatigue strength of the material without defects (, a prediction of the weld’s fatigue strength in the presence of a specific discontinuity is proposed. The predictions were then compared with experimental results from fatigue tests. Tests were conducted with a cyclic load ratio of R = 0.1, a frequency of 108 Hz, and a target life of 2E6 cycles. A step-loading method, inspired by Locati’s work, was used to determine fatigue strength. The results revealed that the fatigue strength of welds containing volumetric discontinuities, with diameters ranging from 0.18 mm to 2.94 mm, is better represented by fracture mechanics rather than the notch approach involving and α.