Effect of welding on stress relaxation cracking of the austenitic stainless steel AISI 316L(N)
Effet du soudage sur la fissuration en relaxation de l’acier austénitique inoxydable AISI 316L(N)
Résumé
Since the 1950s, many cases of intergranular cracking have been observed in welded steel joints after several months or years of service at temperature without mechanical loading. Numerous studies reported that the failure of these components could be explained by the relaxation of residual stresses induced by the welding, the presence of work hardening in the weld microstructure and by grain boundary precipitation during the service. This phenomenon, called Stress Relaxation Cracking (SRC), has motivated research aiming to evaluate the resistance of different steel grades. Due to the complexity of SRC, most of these studies have been carried out using specimens with homogeneous microstructures representative of the zones affected by welding, considered to be the most prone to SRC. In this work, Compact-Tension (CT) specimens were machined from welded plate made of 316L(N) steel and subjected to compression followed by unloading to introduce residual stresses and pre-strain in a controlled manner. Thereby the effect of heterogeneous microstructures comparable to those of industrial weld joints on SRC could be assessed. A specific experimental procedure was developed to test SRC at temperatures close to service ones, while varying SRC driving forces such as residual stress, strain, relaxation time and temperature. The study of SRC in specimens made of welds revealed a very heterogeneous distribution of damage, directly caused by the heterogeneity of the microstructure. In particular, the coarse-grained heat-affected zone of welded materials appeared to be the most prone to SRC. The damage mechanisms, location and distributions were characterised for each condition by electron microscopy at different scales. The correlation of the observed damage levels with the estimations of residual stress obtained by numerical simulation then allowed the estimation of SRC thresholds for each zone of the weld microstructure.
Depuis les années 1950, de nombreux cas de fissuration intergranulaire ont été observés dans des joints d'acier soudés, après plusieurs mois ou années de service en température sans sollicitation mécanique. Grâce aux nombreuses études qui ont été menées sur la problématique, la rupture de ces composants a pu être expliquée par la relaxation des contraintes résiduelles de soudage, la présence d'écrouissage dans les zones affectées et par la précipitation de phases aux joints de grains lors de son utilisation en service. Ce phénomène, appelé Fissuration en Relaxation (FeR), a alors motivé des campagnes d'études pour l'évaluation de la résistance de différentes nuances d'aciers et ainsi prévenir les risques de rupture des joints soudés. En raison de la complexité du phénomène, la plupart de ces études ont été réalisées en utilisant des échantillons avec des microstructures homogènes représentatives des zones affectées par le soudage, considérées comme les plus sensibles à la FeR. Dans ce travail, des éprouvettes de type CT (pour Compact-Tension) ont été usinées à partir de tôles d'acier 316L(N) soudées, puis comprimées et déchargées afin d'introduire des contraintes résiduelles et des pré-déformations de manière contrôlée. Ainsi, l'effet sur la FeR des microstructures hétérogènes comparables à celles des joints soudés industriels a pu être étudié.Une procédure expérimentale spécifique a été développée pour analyser la FeR à des températures proches des températures de service, tout en faisant varier les forces motrices de la FeR telles que le niveau de contraintes résiduelles, de déformation, le temps et température de relaxation. L'étude de FeR dans les éprouvettes comportant des soudures a révélé une distribution très hétérogène de l'endommagement, directement induite par l'hétérogénéité de la microstructure. Particulièrement, la zone affectée thermiquement à gros grains des matériaux soudés est apparue comme la zone la plus sensible à la FeR. Les mécanismes, localisation, distributions d'endommagement ont été caractérisés pour chaque condition par microscopie électronique, et ce, à différentes échelles. La confrontation des niveaux d'endommagement observés aux estimations de contraintes résiduelles obtenues par simulation numérique a alors permis d'estimer des seuils de FeR pour chaque zone de la microstructure soudée.
Origine : Version validée par le jury (STAR)