Fissuration en relaxation des aciers inoxydables austénitiques

Expérience industrielle

Identification de la fissuration en relaxation

En 1957, Curran et Rankin décrivent les premiers cas de fissuration en relaxation identifiés sur des aciers de type 347 utilisés entre 550°C et 600°C. Ils invoquent trois raisons pour la fissuration. Premièrement, les contraintes résiduelles qui se relaxent lentement car le matériau ne flue pas vite à ces températures d’utilisation (en comparaison des aciers ferritiques employés à cette époque). Ensuite les concentrations de contraintes dues à la présence de congés de faible rayon. Enfin les contraintes d’origine thermique, qui sont plus élevées dans les aciers austénitiques que dans les aciers ferritiques, étant donné leur coefficient de dilatation plus élevé. La même année, Emerson et Jackson réalisent les premiers essais de relaxation en laboratoire sur des composants soudés en acier de type 347. Ils reproduisent ainsi les ruptures observées en service et donnent la définition de la fissuration en relaxation : il s’agit d’une rupture intergranulaire, similaire à la rupture par fluage, qui intervient au réchauffage, lorsque le matériau des zones affectées ne possède pas une ductilité suffisante pour relaxer les contraintes résiduelles liées au soudage. La rupture sera, par conséquent, d’autant plus rapide que le niveau de contraintes initial sera élevé. Depuis lors, cette définition n’a pas été remise en cause. En revanche, le débat scientifique concernant les raisons de la faible ductilité des zones affectées par le soudage n’est pas clos, et la fissuration en relaxation constitue encore un problème industriel d’actualité. 

Matériaux concernés et domaine de température

Le Tableau 2 récapitule différentes conditions de fissuration en relaxation identifiées en service. On constate que les aciers stabilisés et les aciers non stabilisés sont concernés. Mais si la fissuration des aciers stabilisés a été découverte dans les années cinquante, ce n’est que très récemment que les aciers non stabilisés comme le 316 et le 304 ont été reconnus comme sensibles à la fissuration en relaxation. Les durées d’utilisation sont très variables, certaines pièces en aciers stabilisés ont parfois fissuré lors de traitements de détensionnement, avant même leur mise en service. Aucun cas de fissuration en relaxation n’a été raporté pour des températures inférieures à 500°C. Il semble raisonnable d’affirmer qu’en dessous de la température de fluage significatif (RCC-MR 1996), soit environ 450°C pour les aciers de l’étude, la fissuration en relaxation n’intervient pas car la diffusion nécessaire au développement de l’endommagement intergranulaire est trop faible. Suite à des études de laboratoire, Van Wortel (1998) indique (Tableau 3) les domaines de température les plus dangereux pour les quatre matériaux qu’il a testés. Il n’est pas évident de déterminer les sensibilités relatives des différents matériaux touchés. En effet, la vitesse de fissuration sur un composant soudé dépend non seulement de la température et du matériau mais aussi du niveau de contraintes résiduelles, qui lui-même Fissuration en relaxation des aciers inoxydables austénitiques I Bibliographie 30 dépend du matériau, de la géométrie et des conditions de soudage. De plus, il n’existe pas d’essai mécanique normalisé pour mesurer la résistance d’un matériau à la fissuration en relaxation. Par ailleurs, il faut tenir compte de l’évolution historique de la composition des aciers. Dhooge (1998) signale à ce propos que les nouveaux aciers de type 347 pour l’industrie nucléaire comportent des teneurs en carbone et en niobium bien plus faibles que les aciers des années cinquante, tout en ayant des rapports de stabilisation élevés (Nb/C>13). Cela leur conférerait une meilleure résistance à la fissuration en relaxation.

Facteurs influençant la fissuration en relaxation

Epaisseur du composant L’épaisseur des composants soudés est citée par tous les auteurs comme un facteur aggravant le risque de fissuration en relaxation. Younger (1960) rapporte que les composants en 347 qui ont fissuré en service étaient souvent plus épais que 19 mm. Thomas (1984) indique que la fissuration en relaxation n’est que rarement constatée pour des épaisseurs inférieures à 13 mm. Coleman et al. (1998) distinguent deux niveaux de risque en fonction de l’épaisseur : faible si celle-ci est inférieure à 15 mm et fort si celle-ci est supérieure à 25 mm. Meitzer (1975) pense que l’épaisseur augmente le risque de fissuration, car le retrait lors du soudage serait lui-même augmenté, ce qui élèverait le niveau des contraintes résiduelles. Une autre conséquence de l’épaisseur des composants est un niveau plus élevé de triaxialité des contraintes ce qui diminue généralement la ductilité des matériaux, voir notamment Spindler (2001). Taille de grain Van Wortel (1998) affirme qu’une taille de grain importante augmente le risque de fissuration en relaxation. Thomas (1984) et Dhooge (1998) conseillent également de limiter la taille de grain des aciers austénitiques à l’indice ASTM 3-4, afin de se prémunir contre la fissuration en relaxation. Ces recommandations se fondent sur leur expérience de la fissuration en relaxation. Les auteurs ne donnent pas d’explication physique à cet effet de taille de grains, mais on peut sans doute établir un lien entre leur remarque et le fait que la ductilité en fluage diminue lorsque la taille de grain augmente (voir § I.3.2). Dureté Van Wortel (1995) note que la dureté semble être un bon indicateur du risque de fissuration en relaxation. D’après lui, une dureté Vickers supérieure à 200 signifie que le risque existe. Les matériaux qui durcissent par précipitation (aciers stabilisés et alliages base nickel) sont d’ailleurs cités par tous les auteurs comme les plus sensibles à la fissuration en relaxation. Rappelons également que l’écrouissage des zones affectées lors du soudage peut également engendrer une dureté supérieure à 200 HV (Figure 9). Concentration de contraintes Meitzer (1975) constate que les fissures de relaxation se développent le plus souvent sur des concentrations de contraintes : raccordement entre tubes d’épaisseurs différentes par exemple. Comme les contraintes résiduelles sont le moteur de la fissuration en relaxation, il paraît naturel que toute concentration de contraintes soit néfaste. Une forme particulière de concentration de contraintes est causée par la « fissuration à chaud » des aciers inoxydables austénitiques. Ce type d’endommagement se développe pendant le soudage et peut engendrer de petites fissures dans le métal fondu ou dans la zone affectée très proche de la ligne de fusion. Ces fissures ou autres défauts de soudage servent de sites d’amorçage préférentiels pour la fissuration en relaxation. Cependant, Younger et Baker (1960) montrent que la fissuration en relaxation peut se développer même en l’absence de fissuration à chaud. Toutes ces tendances sont exprimées en termes qualitatifs. Les industriels ont pourtant besoin de données quantitatives pour déterminer la fréquence des inspections et décider du remplacement ou de la réparation de certains composants soudés. Coleman et al.(1998) décrivent la stratégie adoptée par British Energy pour l’acier 316H. Cette démarche repose sur une évaluation du risque de fissuration en fonction de la température de fonctionnement, de l’épaisseur du composant et des traitements thermiques éventuels.