Experimental characterization and modeling of the creep strength at 550°C of ASME Grade 92 steel welded joints - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2012

Experimental characterization and modeling of the creep strength at 550°C of ASME Grade 92 steel welded joints

Caractérisation métallurgique et modélisation de la tenue en fluage à 550°C des liaisons soudées en acier Grade 92

(1)
1
Charlotte Kalck
  • Function : Author
  • PersonId : 763918
  • IdRef : 169174662

Abstract

In the framework of the development of Generation IV nuclear power plants, ASME Grade 92 ferritic-martensitic steel is a candidate material for components subjected to long-term creep at high temperature. The aim of this study is to characterize the microstructure of Grade 92 butt welded joints and to model their creep behavior at 550 °C. Two filler rods were used for this study.The microstructure of the different weld regions was quantitatively characterized. In order to understand the weaker mechanical properties of the ICHAZ compared to the other regions of the welded joint, the microstructures of the base metal and the ICHAZ were compared at different scales (SEM, EBSD, TEM on thin foils and extractive replicas). No significant difference regarding microtexture, sub-structure and precipitation state was highlighted between both microstructures. The origin of the weaker resistance of the ICHAZ to viscoplastic flow is still not fully understood. A softer zone was found in the base metal close to the ICHAZ, yet with finer subgrains than the base metal,. It was supposed to be a thermomechanically-affected zone (TMAZ).At high temperatures and low stress levels, Grade 92 welded joints may be sensitive to type IV cracking, which occurs in the intercritical heat affected zone (ICHAZ). Creep tests conducted at 550 °C on cross-weld specimens revealed that fracture takes place in the ICHAZ, even for short-term creep tests (i.e., lifetime lower than 1000h).In order to model the creep behavior of the welded joint, viscoplastic constitutive equations for the different regions of the weld assembly were required. The viscoplastic behavior of the base metal, weld metal and of the ICHAZ were modeled using a phenomenological approach. The viscoplastic flow behavior of the weld metal and of the ICHAZ was experimentally determined (i) from tensile tests with displacement field measurements and (ii) from creep tests on tensile bars notched in the region of interest. An alternative method was also used to determine the creep behavior of the ICHAZ. It consists in reproducing the microstructure of this region by a thermal treatment and in carrying out creep tests on notched specimens cut from the heat-treated blanks. The parameters of constitutive equations (power-law flow rule together with a von Mises equivalent stress formulation and isotropic hardening according to a Voce-type evolutionary equation) were then fitted separately for the different zones of the welded joint.Constraint effects related to differences in mechanical properties between the different regions were quantitatively studied trough modeling of creep tests on the cross-weld specimens. For the stress levels experimentally considered, the contrast in strength between the different regions induces an increase in stress triaxiality in the softer zone (i.e. the ICHAZ) together with strain localization.Keywords: Creep, welded joint, Grade 92 steel.
Ce projet de thèse s'inscrit dans le cadre du développement de la future génération de réacteurs nucléaires, la génération IV. L'acier Grade 92, appartenant à la famille des aciers à 9-12% de chrome, est un candidat potentiel pour des composants de cette future génération de centrales. Ces structures sont assemblées par soudage.L'objectif de ce projet est de caractériser expérimentalement et de modéliser le comportement en fluage à 550°C de ces joints soudés en acier Grade 92 (9Cr-0,5Mo-1,8W-V-Nb).L'une des grandes problématiques des soudures en acier à 9 % de chrome est leur sensibilité à la rupture de type IV (rupture en zone intercritique (ICHAZ) ou dans la zone à petits grains (FGHAZ)) qui se produit généralement lors de sollicitations en fluage à basses contraintes et à hautes températures.Deux produits d'apports sont utilisés pour l'étude. Les soudures sont issues de l'assemblage par procédés TIG de deux tubes en position bout à bout. Une campagne d'essais de fluage à 550 °C sur éprouvettes travers joint en acier Grade 92 a été menée. Les expertises réalisées sur les éprouvettes de fluage indiquent que la rupture se produit en ICHAZ y compris pour les essais de fluage les plus courts (moins de 1000h).La modélisation du comportement en fluage du joint soudé complet a nécessité au préalable d'obtenir un modèle de comportement de chaque zone, en particulier de l'ICHAZ et de la zone fondue.Des essais de fluage sur des éprouvettes entaillées prélevées dans le joint ont permis d'accéder au comportement en fluage de ces deux zones. Une méthode complémentaire a été utilisée afin d'obtenir le comportement en fluage de l'ICHAZ. Cette méthode consiste à réaliser des essais de fluage sur des éprouvettes en microstructure de synthèse de la zone intercritique.Une caractérisation microstructurale fine de différentes zones de la soudure a été entreprise. Afin de comprendre les raisons de la faible résistance mécanique en fluage de l'ICHAZ, les microstructures de l'ICHAZ et du métal de base ont comparées à différentes échelles (MEB, EBSD, MET). Cette comparaison a également permis de valider la microstructure de synthèse. La caractérisation microstructurale des deux zones ne révèle pas de différences significatives ni sur la matrice de martensite revenu, ni en termes de précipitation. L'origine de sa moindre résistance à l'écoulement viscoplastique n'est donc pas résolue.Un effet de structure lié aux différences de propriétés mécaniques des zones de la soudure, est quantitativement étudié par modélisation des essais de fluage sur joint complet.
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pastel-00821830 , version 1 (13-05-2013)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00821830 , version 1

Cite

Charlotte Kalck. Caractérisation métallurgique et modélisation de la tenue en fluage à 550°C des liaisons soudées en acier Grade 92. Autre. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2012. Français. ⟨NNT : 2012ENMP0091⟩. ⟨pastel-00821830⟩
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