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Chapitre II :   Caractérisation des matériaux de l’étude – Essais Gleeble

II.1.   Matériaux de l’étude

II.1.1.   Conditions d’élaboration et composition chimique

Sept aciers inoxydables austénitiques de type AISI 316L ont été utilisés dans cette étude. Leur

procédé de fabrication et les dimensions des tôles et barres à l’état de réception sont présentés

dans le tableau II.1. Leur composition chimique est indiquée dans le tableau II.2.

Alliage (teneur en bore) Procédé d’élaboration Laminage / Etirage Traitement thermique Dimensions à l’état de réception (mm)

A

(2 ppm) Sous vide Non communiqué Hypertrempe Barre Φ × 700

B

(19 ppm) Sous vide Non communiqué Hypertrempe Barre Φ × 700

C

(31 ppm) Sous vide T = 1250°C Hypertrempe Tôle 400 × 265 × 10

D

(20 ppm) Sous vide T = 1250°C Hypertrempe Tôle 400 × 100 × 11

E

(35 ppm) Sous vide T = 1250°C Hypertrempe Tôle 400 × 100 × 11

F

(39-44 ppm) Sous vide T = 1220°C Hypertrempe Tôle 400 × 100 × 11

G

(50 ppm) Sous vide T = 1220°C Hypertrempe Tôle 400 × 100 × 11

Tableau II.1: Procédés de fabrication et dimensions des matériaux de l’étude

Tableau II.2: Composition chimique des aciers et impositions du RCCM pour aciers 316L soudables (% mass. sauf pour la teneur en bore en ppm)

Acier B (ppm) C Mn Si P S Cr Ni Mo Co Cu Al N A 2±1 0.020 1.40 0.510 0.040 0.026 16.90 10.20 2.0 0.340 0.410 <0.004 0.074 B 19±2 0.014 1.40 0.400 0.030 0.029 16.70 10.10 2.0 0.130 0.480 0.010 0.042 C 31±2 0.018 1.58 0.513 0.027 0.001 16.95 10.05 2.06 0.084 0.105 - 0.048 D 20±2 0.019 1.56 0.540 0.031 0.0015 16.97 10.07 2.06 0.087 0.106 0.033 0.043 E 35±3 0.017 1.54 0.550 0.026 0.0014 16.87 10.04 2.06 0.082 0.108 0.033 0.051 F1 39±4 0.016 1.59 0.540 0.027 0.0011 17.25 10.03 2.05 0.080 0.106 0.043 0.052 F2 44±4 G 50±4 0.016 1.61 0.540 0.027 0.0017 17.03 10.08 2.06 0.082 0.107 0.035 0.050 RCCM < 18 < 0.03 < 2 < 1 < 0.03 < 0.015 16-19 10-14 2-2.5 < 1

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Tous ces matériaux ont été élaborés sous vide puis laminés ou étirés à chaud et ont subi un

traitement thermique d’hypertrempe couramment utilisé pour ces aciers.

Trois d'entre eux, désignés par les lettres A, B et C, ont été fabriqués industriellement. Les

aciers A et B sont disponibles sous forme de barre de 200 et 100mm de diamètre

respectivement, et l’acier C sous forme de tôle d’épaisseur 10mm.

Les quatre autres aciers, désignés par les lettres D, E, F et G, sont issus de coulées synthétiques

de composition chimique identique à celle de l'alliage C mis à part la teneur en bore. Ils ont

été coulés en lingots d’environ 75 kg par UGITECH (Ugine, France) en utilisant le procédé de

fusion par induction sous vide. Les lingots ont été ensuite étirés, tranchés et laminés à chaud

à 1250°C ou 1220°C pour former des plaques de 11 mm d'épaisseur. 18 plaques sont ainsi

obtenues par lingot (voir figures II.1 et II.2). Les alliages expérimentaux ont alors subi un

traitement de mise en solution à 1050°C pendant 50 minutes (identique à celui subi par l’acier

C) puis une trempe à l'eau (hypertrempe).

Figure II.1 : Dimensions des lingots élaborés par UGITECH avant découpe

L’analyse chimique des coulées synthétiques a été effectuée par UGITECH par prélèvement sur

les lingots. Les techniques employées sont la fluorescence X pour les éléments métalliques

lourds, la spectrométrie d'émission optique à étincelles pour l’aluminium et l’analyse des gaz

(LECO) libérés après fusion sous gaz inerte pour les éléments O (détection infra-rouge) et N

(mesure de conductivité thermique) et après combustion pour les éléments C et S (détection

infra-rouge). Un premier dosage du bore a été effectué sur les lingots par spectrométrie de

masse à décharge luminescente (GDMS).

Pour les alliages industriels, les compositions chimiques fournies par les certificats matière

sont issues de mesures effectuées à l’issue de la coulée continue. Pour vérifier que le procédé

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de fabrication n’ait donné lieu à des phénomènes de ségrégation, la composition chimique des

tôles et barres à notre disposition a été re-déterminée par le laboratoire MMC d’EdF (site des

Renardières). Pour tous les éléments sauf le bore, les techniques d’analyse sont identiques à

celles employées par UGITECH.

Figure II.2 : Etirage, découpe et laminage des lingots par UGITECH

Enfin pour tous les aciers, la teneur en bore a été finalement mesurée sur les matériaux à l’état

de réception par spectrométrie de masse à plasma couplé par induction (ICP-MS, appareil

Varian 820MS, laboratoire LesCA-EdF) sur quatre échantillons prélevés à quelques mm de la

surface des tôles ou des barres. 0,5 grammes de copeaux non oxydés ont été utilisés pour

chaque analyse. Des précautions opératoires, dont le nettoyage des outils de prélèvement, ont

été prises pour éviter toute contamination.

Les tôles A1, A2, A3 sont issues de

la section REPA1. Les tôles A4, A5,

A6 sont issues de la section REPA2

etc…

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Compte tenu du grand nombre de tôles disponibles pour les aciers synthétiques D à G, il

n’était pas envisageable d’effectuer une analyse de la teneur en bore de chacune d’entre elles.

Il a donc été choisi de privilégier les mesures des teneurs en bore sur tôles issues du même

groupe de 3 tôles (même section REP, voir figure II.2) que celles qui seront utilisées pour les

caractérisations microstructurales, les essais de ductilité à chaud sur machine Gleeble, les

essais Varestraint et les essais PVR.

Les tôles en aciers industriels A, B et C ont une teneur en bore de 2 ± 1 ppm, 19 ± 2 ppm et

31 ± 2 ppm respectivement. Les quatre aciers expérimentaux C, D, E et F ont une teneur en

bore de 20 ± 2 ppm, 35 ± 3 ppm, 39 à 44 ± 4 ppm et 50 ± 4 ppm respectivement. La précision

indiquée intègre une incertitude maximale de 5% et la dispersion expérimentale constatée. Les

tôles en acier F extraites des deux extrémités du lingot (repères A et C) présentent des teneurs

en bore différentes de 39 ± 3 ppm (acier F1) et 44 ± 4 ppm (acier F2).

Acier (teneur en bore) Repère tôle N° Tôle

D

(20 ppm) D - REPB1 B2

E

(35 ppm) E - REPA2 A4

F1

(39 ppm) F - REPA2 A5

F2

(44 ppm) F - REPC1 C3

G

(50 ppm) G - REPB1 B2

Tableau II.3 : Référence des tôles utilisées pour la détermination de la teneur en bore des aciers synthétiques

Globalement pour tous les aciers les compositions chimiques mesurées sont très proches de

celles indiquées sur les certificats matière. Les compositions des aciers étudiés satisfont par

ailleurs globalement aux impositions du RCCM, mis à part pour la teneur en bore. En

particulier les teneurs en soufre et phosphore, éléments connus pour leur influence sur la

résistance à la fissuration à chaud, des alliages expérimentaux sont inférieures ou restent

proches (aciers A et B) de ces impositions. Parmi les aciers A, B et C, l’acier C contient les plus

faibles teneurs en S et P. Il a donc été choisi comme matériau modèle pour l’élaboration des

coulées synthétiques (D à G). De sorte tous les alliages de teneur en bore supérieure à 20 ppm

ont une composition chimique (hors teneur en bore) très proche et pourront donc être

comparés au niveau de leur résistance à la FAC en lien avec la teneur en bore.

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