Cyclage thermomécanique d'un acier inoxydable austénitique à haute température : influence sur le vieillissement et le comportement mécanique. Caractérisations expérimentales et modélisations.

Les aciers inoxydables austénitiques sont utilisés dans de nombreuses applications. L'alliage 310S possède des teneurs en chrome et en nickel particulièrement élevées qui lui confèrent une excellente résistance pour les utilisations à hautes températures. Néanmoins, pour des applications combinant cyclage thermique et chargement mécanique, la prédiction de la durée de vie des pièces est délicate. En effet, si de nombreuses données sont disponibles dans la littérature concernant le vieillissement et le fluage isotherme des aciers austénitiques, celles dédiées aux sollicitations couplées sont très rares et s’avèrent insuffisantes pour rendre compte des phénomènes macroscopiques observés industriellement. Une étude a donc été menée pour comprendre les mécanismes mis en jeu. Le vieillissement d’un acier 310S a été exploré pour plusieurs cycles thermiques à 870°C. Les microstructures obtenues ont été caractérisées par différents moyens expérimentaux. L’effet critique du cyclage thermique sur la germination et la croissance des précipités a été quantifié mettant en évidence une accélération de la germination de la phase sigma. D’autre part, des essais mécaniques à 20, 650, 780 et 870°C ont été réalisés sur une large plage de contraintes. Les résultats confirment la forte influence de la modification de la microstructure sur les propriétés élastiques et sur celles en fluage. L’augmentation conjointe du module d’Young, de la limite à rupture et des vitesses de fluage a été observée. La prédiction de la durée de vie de composants subissant des cyclages thermomécaniques doit donc tenir compte de l’évolution de la microstructure. Ces travaux aboutissent donc à une double modélisation qui permet, d’une part, de décrire la cinétique de transformation de phase et, d’autre part, de prédire les vitesses de fluage de l’acier 310S, en isotherme comme en cyclage thermomécanique, dans des conditions représentatives des conditions de service des pièces industrielles

Modification du comportement en fluage d'un alliage de titane oxydé. Expérimentations et modélisation.

Les alliages de titane sont utilisés dans de nombreuses applications en raison de leur très bonne tenue à la corrosion et de leur haute rigidité spécifique. Cependant, à haute température, leur oxydation conduit, sous la couche d'oxyde, à la formation d'une couche enrichie en oxygène avec un gradient de concentration de la surface vers le c?ur du matériau. Cette zone voit ses propriétés mécaniques changer. Dans le cadre de l'étude d'un alliage TA6V, les travaux se focalisent sur la modification du module d'Young et du comportement en fluage d'éprouvettes minces à gradient de composition. Les effets de la teneur locale en oxygène sur la dureté, les paramètres de maille, le module d'Young et le comportement en fluage ont été déterminés. Une modélisation est proposée pour tenir compte de l'effet de l'enrichissement en oxygène lors du dimensionnement de structures à parois minces soumise à du fluage

Effet du vieillissement sur les propriétés de fluage de l'acier inoxydable austénitique 310S lors d'essais de fluage isothermes et non isothermes.

Les aciers inoxydables austénitiques sont utilisés dans de nombreuses applications. L'alliage 310S possède des teneurs en chrome et en nickel particulièrement élevées qui lui confèrent une excellente résistance pour les utilisations à haute température. Néanmoins, des échantillons extraits, après 500h de service, de pièces présentes dans des fours de traitement thermique ont montré une forte teneur en phase sigma de l'alliage. D'autre part, les composants ont des vitesses de déformation en fluage inhabituellement élevées. L'évolution significative de la microstructure est due aux transformations de phase dont l'apparition d'un taux notable de phase sigma. L'étude explore donc les effets du vieillissement sur le comportement mécanique de l'acier inoxydable austénitique 310S, en particulier le comportement en fluage. La phase sigma est une phase intermétallique composée principalement de fer et de chrome, qui se forme dans des aciers inoxydables austénitiques lors d'une exposition à des températures comprises entre 500 ° C et 950 ° C [1,2]. Habituellement, cette précipitation entraîne une perte de ductilité et de ténacité, de sorte qu'il est impliqué dans de nombreux problèmes industriels [3 - 6]. De nombreuses données sont disponibles dans la littérature sur le fluage isotherme [7], mais peu d'entre elles tiennent compte des effets des cycles thermomécaniques et de l'évolution de la microstructure due au vieillissement. Des caractérisations mécaniques sont effectuées à différents états de vieillissement et à différentes températures. Il s'agit d'essais RFDA entre 20 et 900°C, d'essais de traction, d'essais de fluage isotherme à 650, 780 et 870 ° C et d'essais de fluage cyclique et isotherme à 870°C. Les effets de l'environnement sur la vitesse de fluage ont été investigués grâce à des essais sous argon et sous argon hydrogéné. Les résultats confirment la forte influence de la modification de la microstructure sur les propriétés élastiques et sur celles en fluage. L'augmentation conjointe du module d'Young, de la limite à rupture et des vitesses de fluage a été observée. Une modélisation est proposée pour décrire, en fonction du cyclage thermique, les vitesses de fluage de l'acier 310S, dans des conditions représentatives des conditions de service des pièces industrielles.   Références 1. D.M.E. Villanueva et al., Materials Science and Technology 22(9), pp. 1098-1104 (2006). 2. A. V. Kington and F.W. Noble, Materials Science and Technology 11(3), pp. 268-275 (1995) 3. J. Brozda and J. Madej, Engineering Failure Analysis 15, pp. 368-377, (2008). 4. A.Y. Al-Kawaie and A. Kermad, Saudi Aramco Journal of Technology, (2011). 5. A.V. Kington and F.W. Noble, Materials Science and Engineering A 138, pp. 259-266, (1991). 6. E. O. Hall and S.H. Algie, Metallurgical Reviews, 11 , pp. 61-88 (1966). 7. Nickel Development Institute, A.I.S.I., High-Temperature Characteristics of Stainless Steels, in A Designers' handbook series. 2011

Nanoscale wetting of viruses by ionic liquids

One of the most important effects of water on earth is that surfaces in air adsorb small amounts ofwater, usually in the form of a thin film. Real surfaces, especially the rather soft biomolecular surfaces, are covered by highly curved micro- and nanostructures, which induce more complex wetting geometries, such as films, droplets, and filaments. This effect, though ubiquitous, has not yet been investigated on the nanoscale. We have approached the situation by combining a soft proteinous surface, made up from very resilient tubular plant viruses, with ionic liquids. Their low vapor pressure allowed us to observe nanoscale wetting patterns at very high spatial resolution with AFM (atomic force microscopy), SEM (scanning electron microscopy) and STEM (scanning transmission electronmicroscopy).We found droplets, filaments and layers,withmeniscus diameters down to below10 nm. All geometries are comparablewith results obtained on the microscale, and with standard macroscale wetting models

Isothermal and Cyclic Aging of 310S Austenitic Stainless Steel

Unusual damage and high creep strain rates have been observed on components made of 310S stainless steel subjected to thermal cycles between room temperature and 1143 K (870 °C). Microstructural characterization of such components after service evidenced high contents in sigma phase which formed first from δ-ferrite and then from γ-austenite. To get some insight into this microstructural evolution, isothermal and cyclic aging of 310S stainless steel has been studied experimentally and discussed on the basis of numerical simulations. The higher contents of sigma phase observed after cyclic agings than after isothermal treatments are clearly associated with nucleation triggered by thermal cycling

High temperature thermomechanical cycling of an austenitic stainless steel : influence on aging and mechanical behavior. Experimental characterizations and modelling

Les aciers inoxydables austénitiques sont utilisés dans de nombreuses applications. L'alliage 310S possède des teneurs en chrome et en nickel particulièrement élevées qui lui confèrent une excellente résistance pour les utilisations à hautes températures. Néanmoins, pour des applications combinant cyclage thermique et chargement mécanique, la prédiction de la durée de vie des pièces est délicate. En effet, si de nombreuses données sont disponibles dans la littérature concernant le vieillissement et le fluage isotherme des aciers austénitiques, celles dédiées aux sollicitations couplées sont très rares et s’avèrent insuffisantes pour rendre compte des phénomènes macroscopiques observés industriellement. Une étude a donc été menée pour comprendre les mécanismes mis en jeu. Le vieillissement d’un acier 310S a été exploré pour plusieurs cycles thermiques à 870°C. Les microstructures obtenues ont été caractérisées par différents moyens expérimentaux. L’effet critique du cyclage thermique sur la germination et la croissance des précipités a été quantifié mettant en évidence une accélération de la germination de la phase sigma. D’autre part, des essais mécaniques à 20, 650, 780 et 870°C ont été réalisés sur une large plage de contraintes. Les résultats confirment la forte influence de la modification de la microstructure sur les propriétés élastiques et sur celles en fluage. L’augmentation conjointe du module d’Young, de la limite à rupture et des vitesses de fluage a été observée. La prédiction de la durée de vie de composants subissant des cyclages thermomécaniques doit donc tenir compte de l’évolution de la microstructure. Ces travaux aboutissent donc à une double modélisation qui permet, d’une part, de décrire la cinétique de transformation de phase et, d’autre part, de prédire les vitesses de fluage de l’acier 310S, en isotherme comme en cyclage thermomécanique, dans des conditions représentatives des conditions de service des pièces industrielles.Austenitic stainless steels are widely used in industrial applications. 310S stainless steel has high chromium and nickel contents, providing a competitive mechanical behavior for high temperature utilizations. Nevertheless, lifetime prediction is difficult to assess under coupled mechanical and thermal solicitations. Many data are available on aging and isothermal creep of austenitic stainless steels, but few consider the coupled effect of multiple solicitations. These data are insufficient to explain industrial macroscopic observations. The aim of this study was thus to explore the involved mechanisms in such a case. 310S stainless steel aging was investigated under various thermal cycling solicitations at 870°C. The obtained microstructures were characterized by numerous experimental means. The effect of thermal cycling on nucleation and growth of sigma phase precipitates was quantified. The results of the present work revealed enhanced sigma phase nucleation in these non-isothermal conditions. In addition, mechanical tests were carried out at 20, 650, 780 and 870°C under a large range of stresses. The results highlight a noticeable influence of microstructural evolution on elastic and creep properties of this alloy. Simultaneous increases of Young modulus, rupture stress and creep rates were evidenced. It was thus evidenced that lifetime prediction of components under thermomechanical cycling must take into account the microstructure change during lifetime. Finally, two models were proposed in order to assess microstructural changes and creep behavior that apply to isothermal and thermomechanical cycling conditions mimicking in service conditions of industrial components

Oxidation of Ti–6Al–4V alloy between 450 and 600°C. Evolution of microstructure and mechanical properties

Titanium alloys are widely used in many applications thanks to their good corrosion resistance and to their high specific modulus. However, at temperatures above 450°C, oxidation must be taken into account to improve life assessment of components. Especially for long-term exposures, oxidation leads to an oxide scale along with an oxygen enrichment in the metal below this oxide scale. In this study, the oxidation behaviour of Ti– 6Al–4V is investigated between 450 and 600°C for a maximum duration of about 6800 h. Scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) are used to characterize the oxide layer and the layer affected by oxygen uptake. The local oxygen content is quantified. Vibration tests are performed to determine elastic properties on thin specimens with different thicknesses affected by oxygen enrichment. Creep tests are also carried out to quantify the influence of this oxygen uptake on viscoplastic behaviour. An oxygen-enriched zone occupying 5% of the cross-section of a specimen is sufficient to induce detectable changes in its creep behaviour

Effects of cooling path and resulting microstructure on the impact toughness of a hot stamping martensitic stainless steel

International audienceThe present study examined the effect of microstructural characteristics on the toughness properties of a hot stamping martensitic stainless steel. Moderately slow cooling during the martensitic transformation leads to the auto-tempering of the martensite laths and the stabilization of thin austenite films. The amounts of retained austenite and cementite precipitates were quantified for various cooling conditions. Charpy impact toughness tests were performed over a large range of temperatures to characterize the ductile-to-brittle transition. Decreasing the cooling rate from 300 °C/s down to 3 °C/s increased the retained austenite fraction from 0.6% up to 2.6% and decreased the ductile-to-brittle transition temperature by 140 °C. The critical cleavage fracture stress was determined to be around 2400 MPa whatever the cooling rate, by applying the local approach to fracture. However, it has been demonstrated that a higher retained austenite fraction modifies incipient plasticity and decreases the yield stress by 60 MPa. As a result, retained austenite delays cleavage fracture by increasing the strain necessary to reach the critical cleavage fracture stress required to trigger cleavage initiation in the ductile-to-brittle transition domain. In this way, retained austenite plays a determining role to decrease the ductile-to-brittle transition temperature. It is thus beneficial to design cooling rates in order to increase the retained austenite fraction and to improve impact toughness at low temperatures

Influence of M23C6 dissolution on the kinetics of ferrite to austenite transformation in Fe-11Cr-0.06C stainless steel

The design of high-strength martensitic stainless steels requires an accurate control over the stability of undesired phases, like carbides and ferrite, which can hamper strength and ductility. Here, the ferrite to austenite transformation in Fe-11Cr-0.06C has been studied with a combined experimental-modelling approach. Experimental observations of the austenization process indicate that austenite growth proceeds in multiple steps, each one characterized by a different transformation rate. DICTRA based modelling reveals that the dissolution of the M23C6 Cr-rich carbides leads to Cr partitioning between austenite and parent phases, which controls the rate of transformation through (i) a soft-impingement effect and (ii) consequent stabilization of the ferrite, which remains untransformed inside chromium-enriched-zones even after prolonged austenization stage. Slow heating rate and smaller initial particle sizes allow the design of ferrite-free microstructure