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.