Etude du métal de base détensionné caractérisation expérimentale et modélisation

Cette partie est consacrée à la présentation de l’acier Grade 92. Le métal de base de la présente étude a subi le traitement thermique post soudage (PWHT) de 2h à 760 °C. Dans la suite de l’étude, il est appelé métal de base détensionné. Un état de l’art du métal de base Grade 92 non détensionné est présenté dans la première partie de ce chapitre. Très peu d’études sont consacrées dans la littérature au métal de base détensionné. Une étude microstructurale du métal de base détensionné est détaillée dans la deuxième partie. Le métal de base de l’étude est l’ASME Grade 92, X10CrWMoVNb9-2 selon les normes française et européenne. Le matériau est fourni par Vallourec et Mannesmann sous forme d’un tube sans soudure de 219 mm de diamètre et de 19 mm d’épaisseur. Après mise en forme, l’acier P92 subit un traitement thermique en trois étapes : une austénitisation, une trempe et un revenu. Le matériau de l’étude a été austénitisé à 1060 °C pendant 30 minutes, a subi une trempe à l’air puis a été revenu à 770 °C pendant 60 minutes. Contrairement aux traitements thermiques usuellement appliqués, la température de revenu est très proche de celle du PWHT (2h à 760 °C).

Ainsi, la température d’austénitisation et le temps de maintien déterminent la taille moyenne du grain. Brachet [Brachet, 1991] explique que la taille du grain peut influer sur la structure de la martensite obtenue après trempe, en particulier la géométrie des paquets de lattes parallèles. Cependant, la durée de l’austénitisation et donc la taille des grains austénitiques n’affectent pas les distributions de tailles de lattes dans la martensite résultante [Dronhofer et al., 2003]. Le revenu s’effectue à une température comprise entre 750 et 800 °C *ECCC, 2005+ pendant une durée variable en fonction de l’épaisseur de la pièce. Il est essentiel que le revenu de la martensite soit réalisé à une température inférieure à Ac1 afin d’éviter la formation d’austénite de réversion et ainsi de garantir une ténacité acceptable. Le matériau s’adoucit au cours de ce traitement thermique. La restauration et la précipitation ont lieu, ce qui réduit la dureté de la martensite. La densité de dislocations diminue et les contraintes internes sont réduites. Plus de détails sur l’adoucissement de la matrice martensitique seront donnés dans la suite de cet état de l’art.

Microstructure des aciers à 9% de chrome

La martensite, phase métastable, est formée à partir d’un refroidissement rapide de la phase austénitique. L’austénite cristallise dans un système cubique à faces centrées. La martensite cristallise dans une structure quadratique centrée. Cependant, pour de faibles teneurs (<0,2%) en carbone, elle peut être considérée comme une structure cubique centrée. A ce stade, elle est revenue. Le paquet est composé d’un ensemble de blocs de lattes *Morito, 2006+ dont un plan dense {110}α est approximativement parallèle au même plan dense {111}γ. Les observations sur des coupes du matériau indiquent que les paquets formés au sein d’un même grain austénitique varient significativement en forme et en taille. Néanmoins, ce constat n’a jamais été vérifié en trois dimensions. La microstructure martensitique du métal de base, arrangée en paquets et en blocs de lattes, est observable sur la micrographie optique de la Figure 2-2. Les tailles d’anciens grains austénitiques de l’acier Grade 92 non détensionné de cette étude sont comprises entre 20 et 40 µm *Giroux et al., 2010].

Une cartographie EBSD du métal de base P92 est présentée sur la Figure 2-3. La cartographie a été réalisée avec un grandissement de 500 et un pas de 150 nm. Seuls les angles de désorientation de plus de 2° et les grains de diamètres supérieurs à 5 pixels, ont été considérés. La cartographie révèle la structure en blocs de lattes de la martensite. Le déplacement coordonné des atomes lors de la transformation martensitique génère des contraintes internes importantes. En conséquence, la sous-structure martensitique en lattes produite suite à la trempe est constituée d’une forte densité de dislocations enchevêtrées. Les fortes contraintes internes et la densité élevée de défauts induites par la transformation martensitique ont pour conséquence de fragiliser l’acier et de le rendre particulièrement dur (typiquement 500 HV).