Composition chimique et état de réception

La composition chimique des matériaux de l’étude est donnée dans le Tableau 9. Ils correspondent tous les trois au type AISI 316, et se distinguent principalement par leur teneur en carbone et azote, deux éléments interstitiels qui influencent fortement le comportement mécanique. On utilisera d’ailleurs cette distinction pour nommer les trois aciers de l’étude : l’acier 316L(N), l’acier 316H et l’acier 316L. Ces trois aciers diffèrent également par leur teneur en impuretés et en éléments d’addition. Il sera donc délicat de relier les différences que nous observerons lors des essais mécaniques entre ces trois matériaux à l’effet d’un élément en particulier. En revanche, si on observe des points communs entre ces trois nuances commerciales, cela suggérera que ces tendances sont génériques aux aciers de type 316. L’acier 316L(N) a été acheté auprès d’Avesta Sheffield sous forme de tôles de 25mm d’épaisseur. Le traitement de remise en solution industriel a été effectué à 1120°C ± 15°C pendant 30 minutes puis trempe à l’eau. Le numéro de coulée est 351538. La référence de la tôle est 2904 1102C coupon C32. Cette tôle est référencée au SRMA sous le code matériau 464.La microstructure de la tôle de 316L(N) n’est pas homogène.

Les grains sont bien équiaxes mais leur diamètre moyen est de 45 m à cœur et de 60 m en peau. De plus, aucun îlot de ferrite n’est observé dans cette zone à gros grains qui s’étend jusqu’à 1.8 mm de la surface, alors que de tels îlots alignés dans le sens du laminage (et dans le sens travers long) sont parfaitement visibles à cœur. La dureté Vickers de la zone de cœur est de 154 HV30 alors qu’elle n’est que de 143 HV30 en peau. La Figure 49 montre que même dans la zone de cœur la taille de grains est très variable et que des bandes de petits grains alternent avec des bandes de grains plus gros.L’analyse de la composition chimique locale par microsonde électronique en sélection de longueur d’onde des rayons X (WDS), présentée sur la Figure 50, montre que, conformément à ce qu’on attendait, la ferrite est enrichie en chrome et molybdène alors qu’elle est appauvrie en nickel et (faiblement) en manganèse et en cuivre. Aucune différence de composition majeure n’a été observée entre le cœur et la surface.L’acier 316H provient de la tête de surchauffeur numérotée 2C1/1 de la centrale Heysham 1 exploitée par British Energy. Ce matériau est référencé au SRMA sous le code 941. On dispose de deux morceaux : le morceau A, fissuré en service, contient trois soudures (référencées S1, S2 et S3 sur la Figure 51), le morceau B est exempt de soudure et correspond à la partie de tube comprise entre S3 et S5. Le morceau B est donc représentatif du métal de base (partie de l’assemblage non affectée par le soudage).

Le matériau a travaillé approximativement 50.000 heures aux alentours de 500°C. La dureté Vickers sous 30kg du morceau B vaut en moyenne 149 HV30.La microstructure du morceau B est présentée sur la Figure 52a. Les grains sont équiaxes et possèdent un diamètre moyen de 150 µm. On observe également une alternance de bandes de grains plus ou moins fins dans l’axe du tube. Comme dans le 316L(N), on observe de nombreux joints de macles. Ils sont moins attaqués par l’acide oxalique que les joints de grains, ce qui montre que l’état de précipitation et/ou de ségrégation intergranulaire dépend fortement de la nature cristallographique du joint concerné. On observe également des inclusions déformées et alignées dans le sens du tube, ainsi que des bandes de ferrite. La Figure 52b montre un îlot de ferrite observé dans le plan normal à l’axe du tube qui semble s’être transformée par vieillissement en service. L’analyse de la composition chimique locale par spectrométrie à dispersion d’énergie des rayons X confirme cette hypothèse et nous a permis d’identifier, au niveau des joints de grains, des carbures de chrome et des phases intermétalliques contenant du fer, du chrome et du molybdène (Figure 53).

On constate que la ferrite est un site privilégié de précipitation./m2. L’effet du soudage ne s’étend donc visiblement pas jusqu’à 20 mm de la zone fondue. Dans les zones où la densité de dislocations n’est pas trop élevée les arrangements sont relativement planaires (Figure 55).Dans le morceau B, comme dans le morceau A à 20 mm de la soudure, de nombreux carbures intragranulaires (20-60 nm) sont visibles et semblent avoir précipité sur les dislocations. Le vieillissement de 50.000 heures vers 500°C a donc causé la précipitation intergranulaire et intragranulaire dans le métal de base qui a été mis en service à l’état hypertrempé. Cette observation est cohérente avec les cinétiques de précipitation présentées dans la partie Bibliographie.