Effect of Corrosive Environment on the Crack Growth Behavior of a Martensitic Stainless steel

L'acier inoxydable martensitique 13Cr-4Ni (AISI 415) est un matériau structurel utilisé dans la fabrication des aubes de turbines hydrauliques pour l'industrie hydroélectrique. Ces aubes de turbine sont soumises à des charges cycliques dans un environnement aqueux corrosif, ce qui les rend sensibles à la propagation de fissures par fatigue-corrosion (FC). Cette étude examine le comportement en FC de l'acier AISI 415 avec différentes microstructures dans diverses conditions afin de comprendre sa durabilité et de prévoir ses performances dans un environnement de service. Deux microstructures martensitiques distinctes de l'acier AISI 415 ont été examinées : une contenant une fraction minimale d'austénite reformée (SM) <3% et l’autre contenant 20% d'austénite reformée (SRA). Des essais de propagation de fissures dans l’air (FCG) et dans l’eau de rivière synthétique (CFCG) ont été menés sur des échantillons de tension compacte (CT). Les expériences ont été réalisées à trois fréquences de charge (f = 0,1 Hz, 1 Hz et 10 Hz), deux rapports de charge (R = 0,1 et 0,7) et deux variations de facteurs d'intensité de contrainte (ΔK = 8 MPa·m0.5 et 15 MPa·m0.5). L’eau de rivière a été synthétisée de façon à représenter celle de la rivière Beauharnois, ayant une conductivité de 320 μS/cm. Les résultats de l’étude sont présentés sous forme de deux articles scientifiques. Le premier s’intéressant au comportement en fatigue du matériau ne contenant pas d’austénite (SM). Dans le cas spécifique de ce matériau, les résultats indiquent une relation inverse claire entre la fréquence et la vitesse de croissance des fissures dans l’eau. Cette dépendance à la fréquence n'a pas été observée dans l'air. Il s’agit du premier indice que l’environnement aqueux influence la cinétique de propagation des fissures. En plus de l’influence de la fréquence sur la CFCG, il est observé, pour une valeur de ΔKeff donnée, que les fissures se propagent plus rapidement dans l’eau que dans l’air. Les valeurs plus négatives de la différence de potentiel en circuit ouvert (OCP) ainsi que l'augmentation de la proportion de surface oxydée sont des manifestations de l’activité anodique. L’étude de la cinétique de passivation du matériau a montré que la passivation est incomplète à 1 et 10 Hz, ce qui favorise la dissolution anodique. Lorsque le cycle de chargement est de 0,1 Hz, la période d’un cycle est de durée supérieure à celle de la passivation. Conséquemment, les nouvelles surfaces créées par la propagation de la fissure se repassivent entièrement à chaque cycle. Cette passivation pourrait expliquer l’absence de produit de corrosion sur les segments des faciès de rupture fissurées à 0,1 Hz. Malgré cette absence d’activité anodique à 0,1 Hz, la vitesse de CFCG est plus élevée dans l’eau que dans l’air.

Abstract

The 13Cr-4Ni martensitic stainless steel (AISI 415) is a critical structural material employed in the fabrication of hydraulic turbine runners for the hydroelectricity industry. These turbine runners are subjected to cyclic loading in a corrosive aqueous environment, making them highly susceptible to corrosion-fatigue crack growth (CFCG). This study investigates the CFCG behavior of AISI 415 with different microstructures under various conditions to understand its durability and performance in service environments. Two distinct microstructures of AISI 415 steel were examined: one tempered to achieve minimal reformed austenite (RA) fraction (SM) <3%, and another tempered to maximize the RA fraction (SRA) to 20%. CFCG and fatigue crack growth (FCG) tests were conducted on compact tension (CT) samples of both microstructures under controlled laboratory conditions. The experiments spanned three load frequencies (f = 0.1 Hz, 1 Hz, and 10 Hz), two load ratios (R = 0.1 and 0.7), and two stress intensity factor ranges (ΔK = 8 MPa.m0.5 and 15 MPa.m0.5). Testing environments included air and synthesized river water with a conductivity of 320 μS/cm. The study's findings are presented in two scientific articles. The first focuses on the fatigue behavior of a material without austenite (SM). For this material, a clear inverse relationship between frequency and crack growth rate in water was observed, whereas no frequency dependence was found in air. This suggests that the aqueous environment significantly influences crack propagation kinetics. The shift in open circuit potential (OCP) towards more negative values, along with an increase in oxide surface area, further supports this finding. The kinetics of passivation of the material investigated and it indicated that the crack tip did not passivate at higher frequencies (1 Hz and 10 Hz) and confirming the anodic dissolution as an active environmental damage mechanism. However, the crack tip passivated at load frequency of 0.1 Hz. The H embrittlement was identified as the main environmental damage mechanism at 0.1 Hz.