Anna BENAROSCH soutiendra sa thèse intitulée

Cinétiques de précipitation de carbures dans des alliages ferritiques enrichis en carbone

jeudi 16 décembre 2021 à 14 à l’amphithéâtre Jules Horowitz de l’INSTN du CEA Saclay.

Le jury sera composé de :

  • A.F. Gourgues, Professeure, MINES Paris Tech (rapporteur)
  • A.L. Helbert, Professeure, Université Paris Saclay (rapporteur)
  • M. Perez, Professeur, MATEIS INSA Lyon (examinateur)
  • M. Selleby, Professeure, KTH Stockholm (examinatrice)
  • B. Brimbal, Docteur, Framatome (examinateur)
  • I. Guillot, Professeur, ICMPE (directeur de thèse)
  • B. Marini, Docteur, CEA (encadrant)
  • E. Meslin, Docteure, CEA (encadrante)
  • C. Toffolon-Masclet, Docteure HDR, CEA (encadrante)

Résumé

Les gros composants du circuit primaire des réacteurs nucléaires, fabriqués avec des aciers bainitiques faiblement alliés, les 16 à 20MND5, fonctionnent à 300°C et à une pression de 155 bars. Ils subissent un vieillissement thermique et sous irradiation ; ils doivent conserver leurs propriétés mécaniques tout au long de la durée de vie de la centrale. Une compréhension fine des liens entre microstructure et propriétés mécaniques est donc primordiale afin de prédire leur évolution en conditions de fonctionnement. Les carbures contribuent et ce, de manière importante, à expliquer les propriétés mécaniques de ces matériaux. Leur nature, taille et distribution évoluent surtout au cours revenu, effectué après une première étape d’austénitisation et une trempe. Cependant, après cette trempe, des hétérogénéités chimiques se forment, affectant localement la microstructure, la population de carbures, et donc les propriétés mécaniques. Ainsi, il est nécessaire de comprendre l’impact des éléments d’alliage sur les populations de carbures pour comprendre les propriétés mécaniques dans ces zones hétérogènes. De plus, appréhender l’impact des éléments d’alliage sur la séquence de précipitation des carbures peut mener à une optimisation des traitements thermiques, ainsi qu’au design d’aciers aux propriétés mécaniques améliorées. 

Parmi les principaux éléments d’alliages (Mn, Ni et Mo) des aciers 16 à 20MND5, le molybdène, et le manganèse dans une moindre mesure, participent à définir la population de carbures. Dans ce contexte, afin d’isoler la contribution de chaque élément, des alliages modèles de haute pureté, FeCMo, FeCMn et FeCMoMn, sont étudiés, avec des compositions proches de celles de l’alliage industriel. 

Tout d’abord, les diagrammes de transformation en refroidissement continu sont construits afin de connaître l’influence des éléments d’alliage sur la microstructure brute de trempe, mais aussi afin de choisir une microstructure bainitique de départ pour le revenu. Il est démontré que FeCMoMn est un bon modèle pour l’alliage industriel. De plus, dans les microstructures bainitiques, Mn semble favoriser la présence de joints de bloc avec une désorientation de 59° autour de [433]. Dans les microstructures martensitiques cependant, Mo ni Mn n’ont d’influence sur les distribution d’angles ni d’axes de désorientation. Enfin, une étude à l’échelle de l’ancien grain austénitique montre une évolution continue de la martensite à la bainite lentement refroidie, avec une diminution des joints de bloc. 

Ensuite, deux températures de revenu sont explorées, 650 et 700°C, pour des temps de quelques secondes à deux mois. Les microstructures de départ sont choisies les plus proches possibles des aciers bainitiques 16 à 20MND5. Les séquences de précipitation des carbures sont caractérisées, leur fraction volumique quantifiées par diffraction synchrotron ex-situ. Dans l’alliage FeCMn, seule la cémentite est présente et elle s’enrichit en Mn, ceci étant associé avec une contraction du volume de maille. Pour FeCMo et FeCMoMn, les séquences diffèrent de ce qui est rapporté dans la littérature. Dans l’alliage FeCMo, la cémentite, d’abord présente, se dissout pour des temps de revenu d’un mois ou plus, tandis que M2C et le carbure ξ précipitent. Les M2C sont présent aux joints de lattes et intralatte sous forme d’aiguille. Les carbures ξ sont aux joints de bloc, d’une désorientation supérieure à 50°. Pour FeCMoMn, les M2C et le carbure ξ sont également présents, tandis que la cémentite ne se dissout pas pour des temps de revenu longs. L’utilisation de calculs thermodynamiques indiquent que, dans la plupart des cas, les systèmes n’ont pas encore atteint l’équilibre thermodynamique. 

L’évolution de la microstructure brute de trempe en fonction de la chimie, ainsi que la caractérisation des séquences de précipitation des carbures, sont utiles à une future modélisation des propriétés mécaniques des zones hétérogènes des composants de réacteurs.