Characterization of shrinkage porosity and fatigue properties of cast CA-6NM low carbon martensitic stainless steels

Résumé

L’acier inoxydable martensitique à faible teneur en carbone CA-6NM est utilisé pour le moulage de pales de turbines hydrauliques depuis les années 60 en raison de sa ténacité et de sa résistance mécanique, à la cavitation, à l’érosion et à la corrosion. Il est utilisé pour supporter grandes charges opératoires cycliques sur une longue durée de vie. C'est un revenu approprié qui donne à ces aciers leur microstructure idéale à savoir une matrice martensitique dans laquelle des ilots d'austénite sont dispersés. Cependant, ces pièces moulées contiennent plusieurs types de défauts qui peuvent avoir des effets néfastes sur les performances des pièces produites. Or, plusieurs aspects de la caractérisation des défauts de coulée dans ces aciers n’ont pas fait l’objet d’études approfondies. Les principaux objectifs des travaux décrits dans le présent document comprennent donc la caractérisation des défauts de coulée dans l'acier CA-6NM. Dans le premier article, la relation entre la cartographie radiographique et la morphologie réelle des macro-défauts, classés selon différents niveaux de gravité, a été étudiée de façon destructive à l’aide de coupes transversales (tranches de salami). Cette étude démontre que la presque totalité des défauts observés consistent en des macroretassures comportant des terminaisons extrêmement effilées. La distribution de la taille de ces défauts a été mesurée grâce au paramètre géométrique de Murakami (V aire) et au diamètre de Feret. Des niveaux de gravité plus élevés ont montré des défauts avec des terminaisons plus fines et de plus grands paramètres de Murakami. Une caractérisation métallographique de la microstructure coulée a également été effectuée pour étudier la composition chimique et la microstructure autour des macro-défauts. Dans la deuxième partie, des essais en fatigue oligocyclique (LCF) tension-tension uniaxiale ont été effectués sur des éprouvettes de fatigue moulées en CA-6NM. L’impact de la position des défauts et de leur taille (i.e., le paramètre géométrique de Murakami (V aire) sur la durée de vie des éprouvettes en fatigue a été étudié. À cette fin, un examen fractographique bidimensionnel (2D) a été effectué sur les faciès de rupture grâce à un MEB. La durée de vie en fatigue diminuait généralement lorsque la taille du défaut augmentait. Toutefois, la position du défaut était également d’une importance critique. De plus, l’évolution des défauts pendant la propagation des fissures de fatigue et la variation du facteur géométrique Y(a) (paramètre issu de la mécanique de la rupture élastique linéaire - LEFM) ont été étudiées. Dans la troisième partie, une évaluation tomographique tridimensionnelle (3D) par rayons X a été effectuée avant (i.e., échantillon vierge) et après (i.e., échantillon brisé) la rupture par fatigue. Ces résultats ont été comparés à l’observation fractographique bidimensionnelle (2D) sur les faciès de rupture. L’analyse 3D a fourni la distribution des macroretassures avec précision et rigueur. Les défauts possédaient une morphologie tortueuse et complexe. Les résultats des essais en fatigue ont démontré que, dans le processus d'initiation de la fatigue, la position de la macroretassure était plus déterminante que sa taille.

Date	16 déc. 2021
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Martin Viens (Directeur(-trice))