Développement de réseaux de fissures par fatigue thermique à grand nombre de cycles d aciers inoxydables austénitiques

Au-delà des cycles d arrêt et de redémarrage du réacteur, certaines structures de centrales nucléaires sont soumises localement à des sollicitations thermiques cycliques importantes pouvant, dans de rares cas, atteindre de grands nombres de cycles. Un endommagement de fatigue peut alors se développer, généralement sous la forme de réseaux de fissures de faible profondeur en partie courante. La profondeur de fissures est directement liée aux caractéristiques fréquentielles des sollicitations thermiques de la paroi : des sollicitations rapides à haute fréquence engendrant un amorçage rapide de nombreuses fissures peu profondes. Si des sollicitations thermiques et/ou mécanique affectant l ensemble de l épaisseur sont également présentes, les fissures amorcées par fatigue thermique peuvent propager au travers de la structure, particulièrement dans des zones de singularités géométriques et / ou métallurgiques comme des soudures. Il est donc essentiel de pouvoir se prémunir de ce type de dommage ou à défaut, d être en mesure de prévoir son apparition et de connaître les conditions de son développement. La morphologie des réseaux de fissures rencontrés en expertises fournit de ce point de vue des informations précieuses sur le chargement thermomécanique l ayant engendré et contribue à déterminer la criticité du dommage et prendre les mesures adaptées pour limiter son extension. Des essais de fatigue thermique ont été réalisés sur 2 nuances d acier inoxydable austénitique utilisés classiquement dans le nucléaire, un AISI 304L et un AISI 316L(N). Des chocs thermiques cycliques étaient imposés par un laser de puissance tandis que l évolution des champs de température était mesurée par pyrométrie et thermographie infrarouge. La caméra infrarouge équipée d un objectif macroscopique était également utilisée pour détecter l amorçage de fissures et suivre le développement des réseaux en surface sur de grands nombres de cycles (> 1 million de cycles). Des observations métallurgiques ont permis de caractériser la propagation « cristallographique » des fissures dans ce domaine des faibles amplitudes de chargement conduisant à l arrêt de propagation en profondeur. Des simulations numériques thermomécaniques aux éléments finis ont également été menées pour analyser les résultats et les repositionner par rapport à des résultats d essais de fatigue uniaxiale isotherme plus classiques. La variation cyclique de déformation simulée en surface, au niveau de la zone d amorçage, a par ailleurs pu être confrontée à des mesures expérimentales avancées par Corrélation d Images Numériques dans le visible et l infrarouge. L influence de la durée d impulsion des chocs thermiques, d une contrainte statique additionnelle, de la température moyenne des essais ou encore du matériau sur le comportement, l amorçage et la multifissuration du matériau a été évaluée. Un lien a pu être établi entre la morphologie de réseaux observés en surface d une part et le chargement thermomécanique ou encore la profondeur de pénétration des plus grandes fissures d autre part.