Influence de traitements thermo-mécaniques sur les performances en fluage et en fatigue d’aciers martensitiques à 9 %Cr^*

Effect of thermo-mechanical treatments on creep and fatigue properties of 9%Cr martensitic steels

¹ CEA Saclay, DEN/DANS/DMN/SRMA, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France
e-mail : stephanie.hollner@cea.fr
² ENSMP, Centre des Matériaux Mines Paris Tech, UMR CNRS 7633, BP 87, 91003 Evry Cedex, France

Reçu : 14 Septembre 2010
Accepté : 17 Mai 2011

Résumé

Le développement des réacteurs nucléaires de génération IV et des réacteurs à fusion nucléaire requiert l’utilisation de matériaux possédant de bonnes propriétés mécaniques au-delà de 550 °C. En service, ces matériaux seront soumis à du fluage à haute température couplé à des sollicitations cycliques de fatigue. Les aciers martensitiques à 9–12 % Cr sont pressentis pour ces applications; cependant leur comportement en fatigue et fatigue-fluage à haute température est encore insuffisant : la microstructure martensitique grossit et l’acier s’adoucit rapidement. Afin de stabiliser sa microstructure, l’acier commercial P91 a subi un traitement thermo-mécanique incluant du laminage à 600 °C suivi d’un revenu d’une heure à 700 °C. Les observations microstructurales confirment que le traitement thermo-mécanique a conduit à une martensite plus fine, émaillée de nombreux et fins précipités de type MX. Les divers essais mécaniques réalisés prouvent que ces changements ont un effet positif sur les propriétés de l’acier : sa dureté est plus élevée de 100 Hv par rapport à l’acier P91 à réception, et sa limite d’élasticité conventionnelle est supérieure de 430 MPa à 20 °C et de 220 MPa à 550 °C. La durée de vie du P91 optimisé en fluage à 650 °C sous 120 MPa est plus de 14 fois supérieure à celle du P91; et l’essai de fatigue à 650 °C et 0,7 % de déformation totale montre un adoucissement légèrement moins rapide.

Abstract

In the framework of the development of Generation IV nuclear reactors and fusion nuclear reactors, materials with high mechanical properties up to 550 °C are required. In service the materials will be subjected to high-temperature creep and cyclic loadings. 9–12%Cr martensitic steels are candidate materials for these applications; however, they show a pronounced cyclic softening effect under cyclic loadings. This softening effect is linked to the coarsening of the martensitic microstructure. In order to refine its microstructure and its precipitation state, the commercial P91 steel has been submitted to a thermo-mechanical treatment including warm-rolling at 600 °C and a tempering stage at 700 °C. Microstructural observations confirm that this thermo-mechanical treatment led to a finer martensite with smaller MX-type precipitates. This evolution has an effect on the high-temperature mechanical properties: the optimized P91 steel is 100 Hv harder than the as-received P91, and its yield strength is 430 MPa higher at 20 °C and 220 MPa higher at 550 °C. Its lifetime under creep (at 650 °C under 120 MPa) is at least 14 times longer; and the fatigue test at 650 °C under 0.7% strain shows a slightly slower cyclic softening effect for the optimized P91.