Déformation et endommagement des aciers martensitiques revenus à haute température - Fatigue, fluage et fatigue-fluage

Les aciers martensitiques revenus sont utilisés couramment dans les centrales thermiques comme composants de circuiterie. Des recherches portant sur ces matériaux sont également menées dans le cadre des travaux sur la conception des réacteurs nucléaires du futur, qu’il s’agisse de réacteur à neutrons rapides et caloporteur sodium (Astrid) ou gaz, ou du réacteur de fusion ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Ces réacteurs présentent des caractéristiques différentes en termes de maturité technologique et de respect environnemental. Les composants considérés sont souvent des éléments de circuiterie ou de générateur de vapeurs. Les températures d’utilisation sont comprises entre 450 et 650 °C. L’élévation de température de fonctionnement permet d’obtenir un rendement énergétique plus élevé. Suivant le type de centrale, les chargements à considérer en vue du dimensionnement des structures sont notamment la fatigue, la fatigue-relaxation (ou fatigue-fluage) et le fluage. Les aciers martensitiques revenus à 9-12 %Cr présentent certains avantages qui peuvent les faire préférer à certains de leurs concurrents, comme les aciers austénitiques inoxydables type AISI 316L. En effet, ils possèdent un faible coefficient de dilatation thermique et au contraire une forte conductivité thermique, ce qui peut permettre de réduire les chargements mécaniques induits par la fatigue thermique. Ils sont également moins soumis au gonflement que les aciers austénitiques en cas d’irradiation, et enfin leur prix peut être un avantage. Leur comportement mécanique en fatigue et fluage a donc été largement étudié afin de pouvoir garantir leur usage.

Un adoucissement notable est observé lors des essais de fatigue et/ou de fluage à haute température (450-700 °C), ce qui peut constituer une faiblesse avec par exemple des vitesses de fluage largement augmentées. Les recherches ont été menées sur un grand nombre de nuances, de plus en plus sophistiquées. L’objectif de ces nouvelles nuances est de limiter la vitesse de déformation et les évolutions microstructurales en cours de déformation à haute température. De nombreux laboratoires dans le monde sont impliqués dans ces recherches, tant dans le monde universitaire que dans les instituts de recherche ou les industries. Dans les années 80, les travaux ont principalement porté sur des chargements de fortes amplitudes en fatigue et en fluage, ce qui permettait d’obtenir des résultats à partir d’essais de courte durée. Il a été observé un adoucissement cyclique notable et une accélération du fluage liés à différentes évolutions microstructurales opérant pendant le chargement (grossissement de la taille de sous-grain, baisse de la densité de dislocations, précipitations). Très tôt, le comportement mécanique a en effet été mis en parallèle avec les observations microstructurales, principalement en Microscopie Electronique en Transmission (MET).

Les travaux ont ensuite porté d’une part sur des nuances améliorées, plus résistantes à la déformation de fluage, et d’autre part sur l’étude des chargements fatigue et/ou de fluage de faibles amplitudes, beaucoup plus proches des conditions en service que ceux de fortes amplitudes jusqu’alors étudiées. Dans le même temps, le dimensionnement des structures s’effectue en se basant sur des codes (RCC-MRx en France, R5 en Grande-Bretagne, ASME aux États-Unis) dont les lois et critères sont fondés sur les résultats d’essais et peuvent être affinés grâce aux études précédentes dites en amont.