Étude des contrainte résiduelles dans des aciers austéno-ferritiques pour circuits primaires

Le Groupe de Physique des Matériaux (GPM-Rouen) est une Unité Mixte de Recherche (UMR 6634) entre l’Université de Rouen Normandie, l’INSA de Rouen Normandie et le CNRS. Les activités scientifiques du GPM se regroupent historiquement autour de l’instrumentation scientifique et s’articulent autour de la caractérisation des différentes grandes familles de matériaux. Le GPM possède une plateforme instrumentale de premier rang mondial, notamment par son parc de microscopie.

Rattaché·e au département « Microstructure, Métallurgie et Mécanique », le·a stagiaire sera encadré·e par un ingénieur de recherche (R. HENRY - CNRS) et un doctorant du laboratoire (J. LESTANG – INSA Rouen). Les travaux seront suivis par un comité scientifique comprenant les encadrants et M. Barbe et M. Vieille, enseignant-chercheurs du département MMM. L’entreprise EDF (R. BADYKA) participe à ce stage en fournissant les échantillons et en suivant le déroulement du stage.

Contexte [1]

Le circuit primaire d’une centrale nucléaire permet de transporter l’eau chauffée par réaction nucléaire vers les générateurs à vapeur, sous une température d’environ 325°C et une pression de 155 bars. Certains composants du circuit primaire (comme les coudes, volutes de pompe ou certains robinets et piquages) sont composés d’acier inoxydable austéno-ferritique car ce matériau possède une résistance importante à la corrosion et peut résister aux contraintes thermomécaniques du circuit primaire. Aussi, ces matériaux possèdent d’excellentes caractéristiques de fonderie permettant la fabrication de pièces moulées. Ces aciers sont riches en Cr qui leur confère un caractère inoxydable et comportent également des éléments d’addition comme le Ni, Si, Mo et Mn, permettant d’améliorer les propriétés mécaniques, de corrosion et de fonderie mais également de fixer la teneur en ferrite, une des phases de ces aciers. La proportion de cette phase par rapport à l’austénite, phase secondaire, permet de maitriser les propriétés mécaniques désirées. Cependant, une évolution des propriétés mécaniques des aciers inoxydables austéno-ferritiques moulés est observée lors de maintiens aux températures de service. Ce vieillissement est dû aux transformations de phase qui ont lieu dans la ferrite, l’austénite restant stable au cours du temps.  En outre, des contraintes résiduelles sont présentes dans la ferrite, et sont relaxées quand l’austénite est dissoute [2]. Ces contraintes peuvent potentiellement affecter les propriétés mécaniques de l’alliage, et provoquer une accélération du vieillissement des pièces en service. Le protocole développé pour mesurer les contraintes résiduelles a donné des résultats concluants (DRX et dissolution électrochimique de l’austénite). Cependant, il présente certaines limites, comme par exemple des temps d’expérience très longs, des mesures possibles uniquement dans la ferrite, et une mesure moyenne dans le grain, sans possibilité d’étudier les gradients de contraintes internes.

L’objectif général de ce stage est d’appliquer la méthode locale « Ring-core » de mesure de contraintes résiduelles sur des échantillons austéno-ferritiques d’intérêts fournis par EDF. Cette méthode, développée dans le cadre d’une thèse en cours, s’appuie sur la mesure des déformations de relaxation lors d’une opération de micro-usinage au FIB dans une zone d’intérêt d’une taille de l’ordre de quelques µm. Cet enlèvement de matière sépare l’ilot central du reste de l’échantillon, provoquant une relaxation des contraintes résiduelles surfaciques (Figure 1 – a). Les images sont capturées par MEB, les déformations sont mesurées par corrélation d’images numériques (Figure 1 - b), et les contraintes de relaxation associées aux déformations sont calculées par modélisation de l’opération MEB-FIB avec la méthode des éléments finis.

Objectif

L’objectif du stage est donc de réaliser une caractérisation globale (MEB, EBSD, indentation) des deux phases des aciers austéno-ferritiques utilisés dans les circuits primaires, mais aussi de faire des mesures de contraintes résiduelles dans ces deux phases. La combinaison de ces méthodes d’analyse permettra d’étudier les contraintes résiduelles de chaque phase, mais aussi les éventuels gradients de déformation, par exemple autour des interfaces ou depuis un cordon de soudure. Cette étude pourrait aider à établir une corrélation entre contraintes résiduelles et les écarts de cinétique de vieillissement observé entre les échantillons.

Offre

Ce stage de 6 mois en laboratoire (GPM-Rouen) est l’occasion de découvrir et/ou de mettre un pied dans le monde de la recherche académique. Il est également l’opportunité de développer de nombreuses compétences utiles à la science des matériaux (préparation d’échantillon, MEB, FIB, EBSD, micro et nano-indentation, mesures de champ par corrélation d’images numériques…), mais aussi à la science en générale (bibliographie, plan d’expérience, présentation orale, rédaction de rapport et/ou publication scientifique…).

[1]           R. Badyka, “Influence des éléments d’alliage sur la cinétique de vieillissement de la ferrite d’aciers inoxydables austéno-ferritiques moulés” 2018, PhD thesis, Univ. Rouen Normandie.

[2]           J. Renaux, “Influence de l’austénite et des impuretés sur le vieillissement thermique de la ferrite des aciers in oxydables austéno-ferritiques” 2024, PhD thesis, Univ. Rouen Normandie.

‐ Etudiant·e en dernière année de master ou d’école d’ingénieur en spécialité matériaux ou mécanique des matériaux.

‐ Curiosité scientifique, autonomie et goût du travail expérimental. 

‐ Bon niveau d’anglais.

‐ La connaissance du logiciel ImageJ, de Python et/ou Matlab serait un plus.