Finite element simulation of cold pilgering of ODS tubes

International audienceThe oxide dispersion strengthened (ODS) ferritic and martensitic steels are candidate cladding materials for the new fast-neutron sodium-cooled Generation IV reactors. Typically the cladding is cold formed by a sequence of cold pilger rolling passes with intermediate heat treatments. Cracking risk prediction in pilgering is linked to the choice of an appropriate constitutive model for modeling the process. Consequently, this work aims to assess the impact of the constitutive laws on cracking risk development in pilgering conditions

Modèle de comportement pour la modélisation du grenaillage et de la fatigue de l'Inconel 718

Le traitement de grenaillage a pour but de créer des contraintes résiduelles de compression à la surface d'une pièce pour retarder l'amorçage des fissures de fatigue. Comprendre et modéliser l'impact du grenaillage sur la durée de vie de disques Haute Pression fabriqués en Inconel 718 permettra, à terme, d'optimiser le procédé de traitement de surface. L'objectif est donc de réaliser un chainage de simulations pour le grenaillage puis la fatigue thermique de l'Inconel 718. Il est alors nécessaire de proposer un modèle de comportement qui prenne en compte à la fois la sensibilité aux forts taux de déformation subit pendant le grenaillage et l'évolution des différents écrouissages liée au grenaillage puis à la fatigue thermique

Optimisation de la gamme de fabrication de tubes en acier renforcés par une dispersion nanométrique d'oxydes (ODS) : compréhension des relations microstructures / propriétés mécaniques

Oxide dispersion strengthened steels, elaborated by powder metallurgy, are considered as reference materials for high burn up cladding tubes for future Sodium Cooled Fast reactors. They present superior radiation resistance compared with austenitic steels and high creep strength due to reinforcement by the homogeneous dispersion of hard nano-sized particles. After mechanical alloying of the matrix powder and the yttrium oxides, ODS steels are consolidated by hot extrusion and manufactured by using cold pilgerin process. ODS steels are usually characterized by a low ductility and a high hardness at room temperature. The cold-rolling passes have to be punctuated by intermediate heat treatments in order to soften the raw tube and avoid any damage in the course of manufacturing.The aim of this study is to identify the key points for the control of the manufacturing of two grades: a Fe-14Cr-1W ferritic grade and a Fe-9Cr-1W martensitic grade. The relationship between thermomechanical treatments and microstructure is studied by multi-scale characterizations. The understanding of the microstructure evolution permits the determination of robust fabrication routes for both grades. The deformability of the ODS Fe-14Cr-1W ferritic grade is ensured by grain growth at high temperature following a Strain Induced Boundary Migration (SIBM) mechanism. Optimizations through primary recrystallization are proposed. Fabrication route of ODS Fe-9Cr-1W martensitic grade permits to obtain a material characterized by deformability and high temperature mechanical properties similar or even better than those of literature grades. Fabrication routes evolutions and chemical composition optimization are proposed to improve the corrosion and thermal creep resistance.Les matériaux ODS (Oxide Dispersion Strengthened), mis au point par métallurgie des poudres, sont la solution de référence pour le gainage du combustible nucléaire des nouveaux réacteurs de génération IV à fort taux de combustion. Ils présentent une résistance au gonflement sous irradiation augmentée par rapport aux aciers austénitiques et une grande stabilité dimensionnelle en fluage induite par une dispersion homogène de nano-particules stables à haute température. Après co-broyage de la poudre d'alliage maître avec une poudre d'oxydes d'yttrium, le matériau est consolidé par filage à chaud, puis mis en forme à froid par laminage à pas de pèlerin. Les matériaux ODS sont caractérisés par une faible ductilité et une dureté élevée à température ambiante. Les passes de laminage doivent être entrecoupées par des traitements thermiques intermédiaires afin de restaurer le tube et éviter tout endommagement pendant la gamme de transformation.Cette étude vise à identifier les points clés pour la maîtrise de la gamme de transformation à froid de deux nuances ODS : une nuance ferritique Fe-14Cr-1W et une nuance martensitique Fe-9Cr-1W. Les relations entre les traitements thermomécaniques et la microstructure sont étudiées à partir de caractérisations multi-échelles. La compréhension des mécanismes d'évolution de la microstructure permet de proposer, pour chaque nuance, une gamme de transformation à froid robuste. Pour la nuance ferritique Fe-14Cr-1W, la déformabilité est assurée par une croissance des grains à haute température suivant un mécanisme de type Strain Induced Boundary Migration (SIBM). Des optimisations s'appuyant sur une recristallisation primaire sont envisagées. Pour la nuance martensitique Fe-9Cr-1W, la gamme mise en œuvre permet d'obtenir un matériau dont la déformabilité et les caractéristiques mécaniques à chaud sont équivalentes voire meilleures que celles des nuances de la littérature. Des évolutions des gammes et de la composition chimique sont proposées pour améliorer la résistance à la corrosion et au fluage

Optimization of the fabrication route of Oxide Dispersion Strengthened (ODS) cladding tubes : understanding of the relationship between microstructure and mechanical behavior

Les matériaux ODS (Oxide Dispersion Strengthened), mis au point par métallurgie des poudres, sont la solution de référence pour le gainage du combustible nucléaire des nouveaux réacteurs de génération IV à fort taux de combustion. Ils présentent une résistance au gonflement sous irradiation augmentée par rapport aux aciers austénitiques et une grande stabilité dimensionnelle en fluage induite par une dispersion homogène de nano-particules stables à haute température. Après co-broyage de la poudre d'alliage maître avec une poudre d'oxydes d'yttrium, le matériau est consolidé par filage à chaud, puis mis en forme à froid par laminage à pas de pèlerin. Les matériaux ODS sont caractérisés par une faible ductilité et une dureté élevée à température ambiante. Les passes de laminage doivent être entrecoupées par des traitements thermiques intermédiaires afin de restaurer le tube et éviter tout endommagement pendant la gamme de transformation.Cette étude vise à identifier les points clés pour la maîtrise de la gamme de transformation à froid de deux nuances ODS : une nuance ferritique Fe-14Cr-1W et une nuance martensitique Fe-9Cr-1W. Les relations entre les traitements thermomécaniques et la microstructure sont étudiées à partir de caractérisations multi-échelles. La compréhension des mécanismes d'évolution de la microstructure permet de proposer, pour chaque nuance, une gamme de transformation à froid robuste. Pour la nuance ferritique Fe-14Cr-1W, la déformabilité est assurée par une croissance des grains à haute température suivant un mécanisme de type Strain Induced Boundary Migration (SIBM). Des optimisations s'appuyant sur une recristallisation primaire sont envisagées. Pour la nuance martensitique Fe-9Cr-1W, la gamme mise en œuvre permet d'obtenir un matériau dont la déformabilité et les caractéristiques mécaniques à chaud sont équivalentes voire meilleures que celles des nuances de la littérature. Des évolutions des gammes et de la composition chimique sont proposées pour améliorer la résistance à la corrosion et au fluage.Oxide dispersion strengthened steels, elaborated by powder metallurgy, are considered as reference materials for high burn up cladding tubes for future Sodium Cooled Fast reactors. They present superior radiation resistance compared with austenitic steels and high creep strength due to reinforcement by the homogeneous dispersion of hard nano-sized particles. After mechanical alloying of the matrix powder and the yttrium oxides, ODS steels are consolidated by hot extrusion and manufactured by using cold pilgerin process. ODS steels are usually characterized by a low ductility and a high hardness at room temperature. The cold-rolling passes have to be punctuated by intermediate heat treatments in order to soften the raw tube and avoid any damage in the course of manufacturing.The aim of this study is to identify the key points for the control of the manufacturing of two grades: a Fe-14Cr-1W ferritic grade and a Fe-9Cr-1W martensitic grade. The relationship between thermomechanical treatments and microstructure is studied by multi-scale characterizations. The understanding of the microstructure evolution permits the determination of robust fabrication routes for both grades. The deformability of the ODS Fe-14Cr-1W ferritic grade is ensured by grain growth at high temperature following a Strain Induced Boundary Migration (SIBM) mechanism. Optimizations through primary recrystallization are proposed. Fabrication route of ODS Fe-9Cr-1W martensitic grade permits to obtain a material characterized by deformability and high temperature mechanical properties similar or even better than those of literature grades. Fabrication routes evolutions and chemical composition optimization are proposed to improve the corrosion and thermal creep resistance

Etude de la déformation des microstructures génériques des alliages TiAl sous sollicitation cyclique à température ambiante et haute température : effet Bauschinger et viscosité

International audienceThe cyclic deformation of four TiAl common microstructures is studied experimentally at room and high temperature. Multilevel and multirate tests are performed to highlight the microstructure impact on the Bauschinger effect and the strain rate sensitivity. The mechanical behaviors are linked to their corresponding deformation mechanisms. Results can directly be used to develop microstructure-sensitive modeling of the mechanical behaviors of TiAl alloys

Optimization of the Fabrication Route of Ferritic/Martensitic ODS Cladding Tubes: Metallurgical Approach and Pilgering Numerical Modeling

Oxide Dispersion Strengthened ferritic/martensitic alloys are developed as prospective cladding materials for future Sodium-Cooled-Fast-Reactors (GEN IV). These advanced alloys present a good resistance to irradiation and a high creep rupture strength due to a reinforcement by the homogeneous dispersion of hard nano-sized particles (such as Y2O3 or YTiO). ODS alloys are elaborated by powder metallurgy, consolidated by hot extrusion and manufactured into cladding tube using the pilger cold-rolling process. ODS alloys present low ductility and high hardness at room temperature which complicate their manufacturing as tubes. Moreover extrusion and rolling processes induce strong crystallographic and morphological anisotropies. The manufacturing by means of cold rolling passes implies intermediate softening heat treatments. Fabrication route optimization is needed to ensure a safe manufacturing and reduce the cladding tube anisotropy. A better understanding of the deformation paths, the behavior laws and the metallurgy of ODS materials is required. This paper presents the studies conducted on the optimization of the fabrication routes of the new ferritic / martensitic ODS tubes fabricated at CEA. Two main ODS alloys are considered, a Fe-9Cr-1W-Ti-Y2O3 ODS martensitic steel and a Fe-14Cr-1W-Ti-Y2O3 ODS ferritic alloy. The numerical simulation of the cold pilgering process leads to the determination of the strain path undegone by a material point. The determination of the ODS constitutive law and the development of the numerical model allow calculating the stress triaxiality during the process. A systematic analysis of all strokes helps defining which stroke could contribute mainly to the oligocyclic fatigue of the materials. The predicted residual stress state results in longitudinal and ortho-radial tensile stresses. Those results are discussed regarding the possible crack initiation and the subsequent propagation in the formed tube. In parallel to the numerical developments conducted to ensure the formability of the material, an optimization of the heat treatments is conducted with the objective of releasing internal stresses and reducing the stored energy. The 9Cr-ODS steel presents a phase transformation from ferrite to austenite which allows reducing the tube hardness. Manufacturing through two different fabrication routes allows comparing the effects of annealing temperature on cold-workability, microstructure evolution and mechanical properties. Microstructure control of 14Cr-ODS alloy, which does not present a phase transformation, is more complex and the control of the recrystallization microstructure appears critical. Different examples are shown and discussed

Caractérisation par DRX des contraintes résiduelles et de l'écrouissage générés au cours du grenaillage de l'Inconel 718 Direct Aged

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Relationships between mechanical behavior and microstructural evolutions in Fe 9Cr-ODS during the fabrication route of SFR cladding tubes

International audienceA new martensitic ODS alloy (nominal composition Fe-9Cr-1W-0.2Ti-0.3Y2O3) has recently been developed at CEA Saclay to achieve the goals defined for GEN IV reactors. The aim of this paper is to present the main challenges involved in the manufacturing of 9Cr-ODS cladding tubes. Internal stresses have been measured as a function of the thermo-mechanical treatments. Control of microstructural evolutions by means of phase transformation and appropriate cooling rates appears to be critical to obtain favorable softened structure which can be further processed for cold working. The final cladding tubes present remarkable mechanical properties with tensile strength higher than 350 MPa at 750 °C in both longitudinal and circumferential directions

Influence of initial microstructure of IN718 on the residual stresses and the work hardening induced by shot peening

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