Fatigue d’un acier inoxydable austénitique 304L : étude des effets de l’environnement (air/eau primaire rep) à 300°c, de la contrainte moyenne et de l’état de surface

Abstract

The fatigue life estimation of nuclear components is an important subject for the operation license extension of nuclear power plants. In the current codifications, the influence of several factors (surface finish, mean stress, etc.) is taken into account to estimate the fatigue life. However, the effect of pressurized water reactor (PWR) primary water, as well as its interaction with other as-mentioned factors, have not been unambiguously demonstrated.Thus, this work aims to develop further knowledge of the impact of these different parameters on the kinetics and fatigue damage mechanisms of austenitic stainless steel 304L which are widely used for the cooling pipes of the primary circuit in PWR. Three parameters are investigated: the environment (air at 300 ° C/PWR primary water), the mean stress (0 MPa/20MPa/50 MPa), and the surface finish (as-received state/degraded state).Strain amplitude-controlled fatigue tests were carried out. To investigate the kinetics of crack initiation and propagation, two approaches are considered: the establishment of phenomenological macroscopic cracking laws, based on crack depth measurements in until failure fatigue tests and in stopped fatigue tests; the establishment of microscopic laws, based on measurement of the fatigue striation spaces of specimens tested to failure. To understand themodification of the cracking kinetics observed under different conditions, micro cracking mechanisms were discussed, based on the SEM, EBSD and TEM characterization.The fatigue tests reveal a decrease of fatigue life in PWR primary water, independent of the surface finish and the applied mean stress. This is attributed to the acceleration of the initiation phase of crack propagation. Compared to the cracking in air, the cracking in PWR water presents an aspect more "fragile", in terms of plasticity localization and reduction around the crack, as well as a more crystallographic cracking path. Applying a mean stress under a given strain amplitude reduces fatigue life in air, due to accelerated crack initiation and crack propagation. This detrimental effect is related to ductile and rapid cracking in the presence of mean stress. However, in PWR water, the application of the mean stress shows a minor influence on the fatigue crack propagation rate. The reduction of fatigue life due to the presence of mean stress in PWR water is mainly caused by the accelerated crack initiation.The harmful influence of the surface finish on fatigue life is observed, independent of the environment and mean stress. The crack propagation rate in PWR water again shows little sensitivity to the surface finish.Le dimensionnement en fatigue des composants nucléaires est un sujet important pour la sureté d’exploitation et pour la prolongation de licences d’exploitation. Dans la méthode de dimensionnement, l’influence de plusieurs facteurs (état de surface, contrainte moyenne, etc.)sur la tenue en fatigue est prise en compte. Cependant, actuellement, les effets de l’environnement « eau primaire REP », ainsi que son interaction avec d’autres facteurs d’influence n’ont pas été complètement éclaircis.Ainsi, ce travail a pour objectif de développer la connaissance de l’impact de ces différents paramètres sur la cinétique et les mécanismes d'endommagement en fatigue de l’acier inoxydable austénitique 304L, qui est largement utilisé pour fabriquer les tuyauteries de refroidissement du circuit primaire des REP. Trois paramètres sont investigués dans cette étude: l’environnement (air à 300°C/eau primaire REP), la contrainte moyenne (0 MPa/20 MPa/50MPa), et l’état de surface (état brut d’usinage/état dégradé par taraudage).Pour ce faire, une campagne d’essais menés jusqu’à rupture et interrompus à un certain nombre de cycles puis post-fissurés est exécuté. Pour investiguer la cinétique de l’amorçage et de la propagation de fissure dans les conditions étudiées, deux approches sont considérées :l’établissement des lois macroscopiques phénoménologiques de fissuration, basées sur les mesures de profondeur de fissure dans les essais menés jusqu’à rupture et interrompus ;l’établissement des lois microscopiques, basées sur la mesure des espaces interstrie dans les éprouvettes menées à rupture. Pour comprendre la modification de la cinétique de fissuration constatée sous différentes conditions, des analyses des micro-mécanismes de fissuration sont effectuées à travers des observations MEB, EBSD et MET.Les essais à amplitude de déformation imposée menés révèlent une chute de la durée de vie en milieu eau primaire REP, quels que soient les états de surface et le niveau de la contrainte moyenne imposée. Cette réduction de durée de vie est attribuée à l’accélération de la phase d’amorçage et de propagation de fissure. Par rapport aux essais effectués sous air, la fissuration en milieu REP présente un aspect plus « fragile », en termes de la localisation et de la réduction de plasticité autour de fissure, ainsi d’un chemin de fissuration plus cristallographique.L’application d’une contrainte moyenne sous une amplitude de déformation donnée réduit également la durée de vie en air, du fait de l’accélération de l’amorçage de fissure et de la propagation de fissure. Cet effet néfaste se traduit par une fissuration rapide et de nature plus ductile en présence d’une contrainte moyenne. Néanmoins, en milieu REP, peu d’influence liée à l’application de la contrainte moyenne a été constatée sur la cinétique de propagation de fissure. La réduction de durée de vie en présence d’une contrainte moyenne en milieu REP est principalement liée à l’accélération de l’amorçage de fissure.L’influence néfaste de l’état de surface sur la durée de vie est mise en évidence en air et en milieu REP, avec ou sans contrainte moyenne. La cinétique de propagation de fissure en milieu REP montre de nouveau, une indifférence à l’état de surface