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ACIERS INOXYDABLES : GENERALITES ET VITESSES DE FISSURATION STAINLESS STEELS :

ACIERS INOXYDABLES : GENERALITES ET VITESSES DE FISSURATION STAINLESS STEELS : GENERAL CONSIDERATIONS AND R.ATES OFCRACK GROWTH I. ; iï'-'.y i EDF Electricité de France Direction des Etudes et Recherches SERVICE ENSEMBLES DE PRODUCTION Département Machines I •{, Mai 1992 CHATORT. :-i ACIERS INOXYDABLES : GENERALITES ET VITESSES DE FISSURATION S i. STAINLESS STEELS : GENERAL CONSIDERATIONSANDRATES OF CRACK GROWTH i Pages: 53 - - 93NB00093 UVJ Diffusion : J.-M. Lecœuvre EDF-DER Service IFN. Département SID 1, avenue du Général-de-Gaulle 92141 daman Cedex © Copyright EDF1993 ISSN 1161-0611 Jf V X SYNTHÈSE: i i L'acier inoxydable devient de plus en plus un produit de grande consommation. '. I Parallèlement, il s'impose comme un matériau de base pour la fabrication des '. < : «ft équipements industriels qui doivent résister à des sollicitations mécaniques, chimiques . ! et thermiques de plus en plus sévères. f , • • • Ce rapport présente une description des différents aciers inoxydables [1] et les '<(j lois de fissuration de quelques aciers inoxydables couramment utilisés pour la fabrication des structures équipant nos centrales nucléaires. Ces lois sont issues de ;, diverses publications et ne sont pas expliquées en détail dans ce rapport. Le lecteur pourra se référer à la bibliographie pour se procurer les documents d'origine. : '. '" A En fait, ce rapport est une première étape de l'étude de la fissuration des arbres + et barrières thermiques des pompes primaires 900MW pour lesquelles il est v indispensable de connaître les caractéristiques mécaniques de l'acier utilisé ainsi que les lois de propagation de fissures dans les milieux PWR. Après un rappel historique de l'évolution des aciers inoxydables, nous ' présenterons les grandes familles d'aciers inoxydables. Enfin, on présentera des lois de vitesse de fissuration de différents aciers inoxydables, principalement austénitiques. ; j 'A s 1 1 \ ,-} • ' % X' MNBMO» 3 •4 I \ i h i 6 _ EXECUTIVE SUMMARY : Stainless steel is becoming more and more a routine consumer item. At die • ' same time, it is widely accepted as a basic material for the manufacture of industrial ' equipment required to withstand increasingly severe mechanical, chemical and thermal . loads. !?' ; This report describes different stainless steels [1] and presents the laws ' ' governing the rates of crack growth for several stainless steels extensively used for the manufacture of structures in nuclear power plants. The laws themselves are not discussed in detail in this report, but the reader may consult the bibliography to procure copies of the publications concerned. This report is in fact the first stage in an investigation into cracking in the 900 MWe primary pump thermal barriers and shafts, where it is essential to know the mechanical characteristics of the steel used and the laws governing crack growth in PWR operating environments. After a brief review of the development of stainless steels, the main categories of stainless steel are presented. Finally, the rates of crack growth are presented for various stainless steels, mainly austenitic. '•4 S)=W ; I SOMMAIRE •\ Chapitre 1: Introduction j 1.1 Introduction \ 1.2 Un peu d'histoire J 1.3 Classification des aciers inoxydables ; ! \ Chapitre 2: Les grandes familles d'aciers inoxydables k .. ', p 2.1 Introduction < & 2.2 Les aciers inoxydables martensitiques 2.3 Les aciers inoxydables ferritiques ; 2.4 Les aciers inoxydables austénitiques - • 2.5 Les aciers inoxydables austéno-ferritiques ; . 2.6 Composition chimique des aciers inoxydables r \ , Chapitre 3: Caractéristiques mécaniques des aciers inoxydables > : ' _ Chapitre 4: Résistance à la corrosion des aciers inoxydables 4.1 Introduction 4.2 La corrosion uniforme ; 4.3 Corrosion par piqûres et corrosion caverneuse 4.4 Corrosion sous contrainte et fatigue corrosion s ; 4.4.1 Corrosion sous contrainte 4.4.2 Fatigue corrosion Chapitre 5: Vitesse de fissuration des aciers inoxydables ; ^. I 5.1 Introduction ^ :) 5.2 Influence de température •••>' 5.3 Influence de Ia fréquence f | 5.4 Influence du milieu j&£ 5.5 Seuil de non propagation de l'acier Z4CBND18-12 ~ ' 5.6 Influence du rapport R sur Ie seuil de non fissuration 5.7 Synthèse , ; 5.8 Conclusions Bibliographie Annexe 1: Composition chimiques des principaux aciers inoxydables Annexe 2: RCC-M: matériau Z6CNNb18-11 des arbres de pompe primaire ; i \ \ - « - .v*-.^ « S ? ? * * " " ^ Chapitre 1: Introduction 1.1 Introduction. L'acier inoxydable, largement utilisé pour l'équipement des particuliers et des , collectivités, dans le bâtiment et Ia décoration, l'industrie des transports et les | industries alimentaires, devient de plus en plus un produit de grande ,'„ : consommation. Parallèlement, il s'impose comme un matériau de base pour la / f-\' fabrication des équipements industriels qui doivent résister à des sollicitations .y~_ mécaniques, chimiques et thermiques de plus en plus sévères. Ce rapport présente une description des différents aciers inoxydables [1] et les lois de fissuration de quelques aciers inoxydables couramment utilisés pour la '.. fabrication des structures équipant nos centrales nucléaires. Ces lois sont issues de diverses publications et ne sont pas expliquées en détail dans ce rapport. Le lecteur pourra se référer à la bibliographie pour se procurer les documents d'origine. \ En fait, ce rapport est une première étape de l'étude de la fissuration des arbres et barrières thermiques des pompes primaires 900MW pour lesquelles il est indispensable de connaître les caractéristiques mécaniques de l'acier utilisé ainsi que les lois de propagation de fissures dans les milieux PWR. Après un rappel historique de l'évolution des aciers inoxydables, nous : présenterons les grandes familles d'aciers inoxydables. Enfin, on présentera des lois de vitesse de fissuration de différents aciers inoxydables, principalement austénitiques. 1.2 Un peu d'histoire. "*. * . • - P Les premières observations sur les propriétés chimiques conférées au fer par 3 l'introduction du chrome (métal découvert en 1797 par Vauquelin et isolé en 1854 ;% par Bunsen) furent faites par Berthier en 1821, lequel constata que si l'on procédait jp i * i à la réduction d'un mélange d'oxydes de fer et de chrome, on obtenait un métal -1^ if résistant d'autant mieux aux acides que la teneur en chrome était plus élevée. Par la suite, l'évolution des aciers inoxydables fut ralentie du fait de deux U-! points: ' < ; > - les alliages préparés étaient en général très riches en carbone. Leur teneur !< en chrome était le plus souvent, soit trop basse (résistance à la corrosion i insuffisante), soit trop élevée (manque de déformabilité); ( é - le critère d'évaluation était en général Ia résistance à l'acide sulfurique ou à ""-* l'eau et on sait aujourd'hui que les caractères de résistance à la corrosion des aciers en fonction de leur composition peuvent considérablement varier d'un milieu à l'autre. '-./;'" En fait, les premiers résultats significatifs datent du début du siècle. En §. particulier, l'allemand Goldschmidt réalisa la préparation du ferrochrome et de chrome métal à très bas carbone par aluminothermie, technique encore utilisée aujourd'hui. Partant du chrome à bas carbone de Goldschmidt, les métallurgistes français L. Guiliet puis A. Portevin et aussi l'allemand Giesen publièrent entre 1904 et 1909 les résultats de leurs travaux sur les aciers au chrome dont les compositions sont très voisines de celles utilisées aujourd'hui aussi bien pour les classes à 13% Cr f( \ \\ ,^\ * ' . m. martensiîiques que pour celles à 17% Cr ferritique. En 1909, Guillet publia une étude sur ies aciers au chrome-nickel austénitiques, complétant ainsi les trois principaux critères de classification des aciers inoxydables à partir de leur structure. à savoir les structures martensitique, ferritique et austénitique. 1.3 Classification des aciers inoxydables. La découverte du rôle d'addition de chrome sur la résistance à la corrosion des aciers inoxydables conduit naturellement à lés classer suivant leur composition chimique. Par la suite, au fur et à mesure de l'extension de la connaissance des propriétés de ces aciers, d'autres pilotes de classification furent envisagés. Toutefois, les désignations d'acier inoxydable au chrome, au chrome-nickel ou chrome-nickel-molybdène subsistent toujours. Il est intéressant de noter que dans l'histoire du développement de la composition chimique des aciers inoxydables, le rôle du carbone n'est mis en évidence qu'après celui des principaux éléments d'addition au fer, ceci étant dû au fait que dans l'élaboration de l'acier, il est plus facile d'ajouter que de soustraire. Ainsi donc, le carbone n'a été introduit comme élément de classification que tardivement et les désignations classiques ont pu être complétées par "à bas carbone" ou "à très bas carbone". La notion de "stabilisation" par des éléments à teneur couplée à la teneur en carbone en a dérivé. Mais une classification basée uniquement sur la connaissance de la composition chimique pose deux problèmes: - l'augmentation considérable du nombre d'éléments d'addition et du nombre d'impuretés spécifiées complique la classification; - l'élévation de la teneur des éléments d'addition conduit naturellement à une diminution de la teneur en fer, d'où la question: jusqu'où vont les aciers inoxydables et où commencent les alliages inoxydables ? La limite n'est pas bien définie mais on uploads/Industriel/ aciers-inoxydables-generalites-et-vitesses-de-fissuration.pdf