Définition de l’acier martensitique 13Cr-4Ni

Selon la norme ASTM A743 et ASTM A240, le matériau 13Cr-4Ni est un acier de la famille inoxydable martensitique. Cet acier est définit comme étant inoxydable puisqu’il contient au moins 10.5 % de chrome et moins de 1.2 % de carbone. De plus, il est inclus dans la famille martensitique puisqu’il a une teneur de chrome comprise entre 12 à 18 %. Il est aussi appelé acier super martensitique ou acier martensitique doux dans certains ouvrages de la littérature.

Domaines et applications 

L’acier 13Cr-4Ni est utilisé dans plusieurs domaines tels que l’hydroélectricité, le nucléaire, le naval, l’hydraulique et des applications à haute température. Dans ce mémoire, le domaine à l’étude est l’hydroélectricité au Québec. Les roues hydrauliques de la nouvelle génération chez Hydro-Québec sont maintenant fabriquées en acier 13Cr-4Ni.

Nomenclatures et composition chimique de l’acier 13Cr-4Ni 

De manière générale, la roue et les aubes sont coulées en CA-6NM. Ensuite, elles sont assemblées par le procédé de soudage FCAW, (Flux-cored Arc Welding) avec le métal d’apport 410 NiMo. Dans certains cas, mais plus rarement, les aubes ont été formées par laminage avec l’acier S41500, par la suite machinées et finalement soudées à la ceinture et à la couronne avec le même métal d’apport, soit le 410 NiMo. Après l’assemblage de la roue, celle-ci doit subir un traitement thermique de revenu avant la mise en service. Les réparations des roues hydrauliques fabriquées en CA-6NM sont effectuées avec l’acier austénitique 309L. Cet acier est utilisé seulement pour les réparations puisqu’il ne requiert aucun traitement thermique post soudage après la réparation. L’avantage de cette procédure de réparation est de remettre en service la roue sans la sortir de son puits. Par contre, le 309 L génère de fortes contraintes résiduelles en surface, ce qui est néfaste sur la vie en fatigue.

Avantages et inconvénients de l’acier 13Cr-4Ni 

Cet acier a une résistance mécanique ultime très élevée et une excellente résistance à la corrosion. De plus, il possède une bonne résistance à l’abrasion, ainsi qu’à la cavitation. Ce type d’acier permet l’assemblage de structures mécano-soudées tel que l’assemblage de l’aube à la couronne et à la ceinture.

Cependant cet acier martensitique a un coût relativement élevé, puisque ses deux éléments d’alliage principaux sont le chrome et le nickel qui sont très dispendieux. De plus, le faible volume de production de cet acier cause une hausse de son prix de vente.

Un inconvénient majeur pour la fabrication des roues de turbine, c’est la difficulté d’obtenir une température homogène lorsque la roue est grande, épaisse et de forme complexe pendant le traitement thermique post-soudage. Ce gradient thermique peut causer une fissuration dans la soudure et générer des contraintes résiduelles pendant le refroidissement. Pour éliminer ce gradient thermique, ainsi que maximiser la relaxation des contraintes résiduelles, il est recommandé d’utiliser des taux de chauffe et de refroidissement très lents pendant le revenu. Cependant, un séjour prolongé à de hautes températures peut provoquer une diminution considérable des propriétés mécaniques due à un sur-revenu de la martensite. De plus, il est difficile d’obtenir des températures uniformes en pratique sur de grandes pièces épaisses telle qu’une roue hydraulique même à des taux de chauffe très lents. Un compromis doit être réalisé entre le taux de chauffe, le taux de refroidissement, le temps de maintien, les propriétés mécaniques et la relaxation des contraintes résiduelles. Le tout dans le but de maximiser la vie utile de la roue.

Cinétique de changement de phase 

Dans cette section, les différentes phases en présence dans l’acier 13Cr-4Ni sont identifiées et comparées. Ensuite, la cinétique de changement de phase est comparée pour un état d’équilibre avec un état de non-équilibre.