Correlation between microstructure and susceptibility to environmentally-assisted cracking of an additively manufactured 17-4PH martensitic stainless steel

La fabrication additive métallique, et en particulier la fusion laser sur lit de poudre, représente un nouvel enjeu pour l’industrie de la métallurgie. Ce procédé amène une nouvelle approche dans la conception des pièces, en prenant en compte, par exemple, le volume de matière utile au fonctionnement en service de la pièce, par optimisation topologique. Toutefois, ce nouveau procédé donne lieu à des microstructures différentes de celles connues pour la métallurgie conventionnelle, pour un état de traitement thermique donné. Ces microstructures, héritées de la poudre métallique utilisée et de la paramétrie du procédé, sont susceptibles d’être associées à un comportement mécanique et à un comportement en corrosion du matériau différents, pour un état de traitement thermique donné et classiquement utilisé dans la métallurgie conventionnelle. C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux de thèse, à savoir l’étude de la corrélation microstructure / sensibilité à la fissuration assistée par l’environnement (FAE) d’un acier inoxydable en prenant en compte l’influence du procédé de fabrication additive. L’acier 17-4PH obtenu par fusion laser sur lit de poudre constitue le matériau d’étude, l’acier 17-4PH obtenu par voie conventionnelle étant pris comme référence. Dans un premier temps, la microstructure des deux aciers a été caractérisée dans l’état de traitement thermique de référence choisi pour ces travaux, l’état H900. Une attention particulière a été apportée aux éléments de la microstructure tels que l’austénite, les carbures de niobium et les précipités de cuivre. Le comportement mécanique à température ambiante des deux aciers a été étudié sur la base d’essais de microdureté Vickers et d’essais de traction uniaxiale avec une vitesse de déformation imposée de 10 3 s 1. Ensuite, et pour mieux comprendre le rôle de l’hydrogène dans la sensibilité de ces aciers à la FAE, les interactions hydrogène / microstructure / plasticité ont été investiguées par le biais d’essais de relaxation incrémentaux. Enfin, la sensibilité à la FAE des deux aciers a été étudiée, et pour ce faire, des essais de FAE à vitesse de déformation imposée et des essais à déformation imposée ont été réalisés.Additive manufacturing processes, in particular powder-bed laser beam melting (LBM), represent a new challenge for metallurgy industries. These processes involve a novel approach in the conception of metallic parts, e.g. by taking into account only the useful volume of mater through topological optimization. Nevertheless, LBM generates new microstructures that are usually different from those known for conventionally manufactured parts for a given heat treatment. Those microstructures are inherited from the powder and the process parameters used. This might be associated with changes in the mechanical behavior and/or the corrosion behavior of such parts by comparison to the conventional counterpart for a given heat treatment state. Thus, the purpose of this thesis was to understand the relationship between microstructure and susceptibility to environmentally-assisted cracking (EAC) of a stainless steel, while taking into account the influence of the additive manufacturing process. The 17-4PH martensitic stainless steel obtained by LBM was selected for this work; its conventional wrought counterpart was used as a reference. First, the microstructure of both stainless steels was characterized for the same heat treatment state, i.e. H900. Specific attention was paid to some microstructural parameters such as austenite phase, niobium carbides and copper-rich precipitates. The mechanical behavior of the steels was analysed at room temperature through Vickers microhardness tests and tensile tests with a strain rate of 10-3 s-1. Then, in order to better understand the role of hydrogen in the steel susceptibility to EAC, the hydrogen / microstructure / plasticity interactions were investigated through incremental stress-relaxation tests. Furthermore, the susceptibility to EAC was studied through tests with controlled strain rate and tests with controlled strain

Corrélation microstructure - sensibilité à la fissuration assistée par l'environnement d'un acier inoxydable martensitique 17-4PH obtenu par fabrication additive

Additive manufacturing processes, in particular powder-bed laser beam melting (LBM), represent a new challenge for metallurgy industries. These processes involve a novel approach in the conception of metallic parts, e.g. by taking into account only the useful volume of mater through topological optimization. Nevertheless, LBM generates new microstructures that are usually different from those known for conventionally manufactured parts for a given heat treatment. Those microstructures are inherited from the powder and the process parameters used. This might be associated with changes in the mechanical behavior and/or the corrosion behavior of such parts by comparison to the conventional counterpart for a given heat treatment state. Thus, the purpose of this thesis was to understand the relationship between microstructure and susceptibility to environmentally-assisted cracking (EAC) of a stainless steel, while taking into account the influence of the additive manufacturing process. The 17-4PH martensitic stainless steel obtained by LBM was selected for this work; its conventional wrought counterpart was used as a reference. First, the microstructure of both stainless steels was characterized for the same heat treatment state, i.e. H900. Specific attention was paid to some microstructural parameters such as austenite phase, niobium carbides and copper-rich precipitates. The mechanical behavior of the steels was analysed at room temperature through Vickers microhardness tests and tensile tests with a strain rate of 10-3 s-1. Then, in order to better understand the role of hydrogen in the steel susceptibility to EAC, the hydrogen / microstructure / plasticity interactions were investigated through incremental stress-relaxation tests. Furthermore, the susceptibility to EAC was studied through tests with controlled strain rate and tests with controlled strain.La fabrication additive métallique, et en particulier la fusion laser sur lit de poudre, représente un nouvel enjeu pour l’industrie de la métallurgie. Ce procédé amène une nouvelle approche dans la conception des pièces, en prenant en compte, par exemple, le volume de matière utile au fonctionnement en service de la pièce, par optimisation topologique. Toutefois, ce nouveau procédé donne lieu à des microstructures différentes de celles connues pour la métallurgie conventionnelle, pour un état de traitement thermique donné. Ces microstructures, héritées de la poudre métallique utilisée et de la paramétrie du procédé, sont susceptibles d’être associées à un comportement mécanique et à un comportement en corrosion du matériau différents, pour un état de traitement thermique donné et classiquement utilisé dans la métallurgie conventionnelle. C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux de thèse, à savoir l’étude de la corrélation microstructure / sensibilité à la fissuration assistée par l’environnement (FAE) d’un acier inoxydable en prenant en compte l’influence du procédé de fabrication additive. L’acier 17-4PH obtenu par fusion laser sur lit de poudre constitue le matériau d’étude, l’acier 17-4PH obtenu par voie conventionnelle étant pris comme référence. Dans un premier temps, la microstructure des deux aciers a été caractérisée dans l’état de traitement thermique de référence choisi pour ces travaux, l’état H900. Une attention particulière a été apportée aux éléments de la microstructure tels que l’austénite, les carbures de niobium et les précipités de cuivre. Le comportement mécanique à température ambiante des deux aciers a été étudié sur la base d’essais de microdureté Vickers et d’essais de traction uniaxiale avec une vitesse de déformation imposée de 10 3 s 1. Ensuite, et pour mieux comprendre le rôle de l’hydrogène dans la sensibilité de ces aciers à la FAE, les interactions hydrogène / microstructure / plasticité ont été investiguées par le biais d’essais de relaxation incrémentaux. Enfin, la sensibilité à la FAE des deux aciers a été étudiée, et pour ce faire, des essais de FAE à vitesse de déformation imposée et des essais à déformation imposée ont été réalisés

Susceptibility to Pitting and Environmentally Assisted Cracking of 17-4PH Martensitic Stainless Steel Produced by Laser Beam Melting

Materials produced by additive manufacturing (AM) often have different microstructures from those obtained using conventional metallurgy (CM), which can have significant impacts on the materials’ durability, and in particular, resistance to corrosion. In this study, we were concerned with the susceptibility to pitting and environmentally assisted cracking (EAC) of 17-4PH martensitic stainless steel (MSS). We focused on the evolution from pitting to EAC, and the behaviour of MSS produced by AM was compared with that of its CM counterpart. Potentiodynamic polarisation tests were combined with chronoamperometry measurements performed without and with mechanical loading to study both stable and metastable pitting and the influence of stress on these processes. EAC tests were carried out and combined with observations of fracture surfaces. MSS produced by AM was more resistant to pit initiation due to fewer and finer NbC particles. However, the propagation kinetics of stable pits were higher for this MSS due to a higher amount of reversed austenite. The stress was found to stabilise the metastable pits and to accelerate the propagation of stable pits, which resulted in an increased susceptibility to EAC of the MSS produced by AM. These results clearly highlighted the fact that the reversed austenite amount has to be perfectly controlled in AM processes