Brevet FR2334762A1 — publié le 19770708

L'invention, due à Nikolai Nikolaevich ZOREV, Anatoly Alexandrovich ASTAFIEV, Alexandr Sergeevich LOBODA, Vladimir Pavlovich SAVUKOV, Andrei Efimovich RUNOV, Vladimir Alexandrovich BELOV, Jury Vasilievich SOBOLEV, Valentin Vasilievich S0BOLEV, Nikolai Mikhailovich PAVLOV, Boris Evgenievich PATON, Bois Izrailevich MEDOVAR, Jury Fedorovich BALANDIN, Igor Vasilievich GORYNIN, Jury Ivanovich ZVEZDIN, Kuzma Makeevich IVANOV, Viktor Alexandrovich IGNATOV, July Georgievich EMELYA NENKO, concerne des aciers susceptibles d'être utilisés dans les centrales nucléaires pour la construction de réacteurs atomiques et autres réservoirs travaillant sous pression et soumis à des irradiations, à épaisseur de parois jusqu'à 650 mm. Le brevet y n0 3.424.576 décrit un acier contenant, en poids carbone de 0,13 à 0,65 silicium de 0,1 à 0,5 manganèse de 0,45 à 1,2 chrome jusqu'à 1,5 nickel jusqu'à 2,0 molybdène de 0,05 à 0,6 vanadium ou niobium ou tantale de 0,01 à 0,15 plomb de 0,05 à 0,35 phosphore jusqutà 0,04 soufre jusqu'à 0,05 fer le complément à 100 Cet acier peut être utilisé pour la construction de réacteurs atomiques de moyenne puissance. Toutefois, cet acier possède une basse trempabilité et une résilience modérée, ce qui explique qu'il ne peut servir à la construction d'ouvrages de grand encombrement, à forte épaisseur de parois. Le certificat d'auteur de l'U.R.S.S. nO 441.338 décrit un acier contenant, % en poids carbone de 0,13 à 0,18 silicium de 0,17 à 0,37 manganèse de 0,3 à 0,55 chrome de l,O à 1,5 nickel de 1,0 à 1,6 molybdène de 0,51 à 0,70 vanadium de 0,01 à 0,1 cuivre ne dépassant pas 0,2 cérium de 0,002 à 0,04 fer et impuretés : le complément à 100. Cet acier présente une soudabilité et une plasticité suffisamment élevées et peut être utilisé, pour cette raison, pour la fabrication de réacteurs atomiques de puissance moyenne. Toutefois, cet acier a une trempabilité, une charge de rupture et une température de transition de l'état fragile à l'état ductile insuffisantes pour la construction d'ouvrages soudés à épaisseur de parois jusqu'à 650 mm. L'absence d'aciers présentant une trempabilité augmentée, une température critique de fragilité suffisamment basse, un faible décalage de la température critique de fragilité après irradiation, crée des difficultés sérieuses pour la construction de réacteurs de grande puissance. Le but de la présente invention consiste à éliminer les inconvénients susdits. On s'est donc proposé de développer un acier à teneurs en constituants et à proportions relatives desdits constituants, qui permette de lui conférer une trempabilité augmentée, une température critique de fragilité suffisamment basse, ainsi qu'un décalage minimal de la température critique de fragilité après irradiation par neutrons, par comparaison aux aciers connus d'usage analogue. L'acier selon l'invention contient du carbone, du silicium, du manganèse, du chrome, du nichel, du molybdène, du vanadium, du cuivre et du fer, le susdit acier étant caractérisé en ce qu'il contient en outre de l'aluminium, de l'azote, de l'arsenic, tous les constituants de cet acier étant les suivants avec les proportions (; en poids) indiquées carbone de 0,13 à 0,18 silicium de 0,17 à 0,37 manganèse de 0,30 à 0,60 chrome de 1,7 à 2,4 nickel de 1,0 à 1,5 molybdène de 0,5 à 0,7 vanadium de 0,05 à 0,12 aluminium de 0,01 à 0,035 azote de 0,005 à 0,12 cuivre de 0,11 à 0,20 arsenic de 0,0035 à 0,0055 fer et impuretés : le complément à 100. La présence additionnelle au sein de l'acier de l'aluminium à une teneur de 0,01 à 0,035% en poids et de l'azote à une teneur de 0,005 à 0,012% en poids conduit, en cas de leur interaction, à la formation de nitrures, ce qui contribue à une augmentation de la finesse du grain entraînant une élévation de la résilience de l'acier, surtout aux températures au-dessous de zéro et à la suite du vieillissement après déformation, et abaisse, d'autre part, la température de transition de l'état fragile et ductile, dans le domaine intermédiaire entre la zone de fragilité et la zone de ductilité. Cela augmente la fiabilité et la longévité des matériels des centrales nucléaires de grande puissance. Une élévation de la teneur en aluminium au-dessus de la valeur indiquée entraîne la pollution du métal par l'alumine, ainsi que la dissolution dans l'acier de l'aluminium à l'état libre,-ce qui compromet sa résilience, particulièrement aux températures au-dessous de zéro, et élève sa température de transition de l'état fragile à l'état ductile. L'abaissement de la teneur en aluminium (au-dessous de 0,01 $ en poids) réduit les taux de désoxydation et de dégazage de l'acier. Une élévation de la teneur en azote au-dessus de la valeur sus-indiquée n'est pas à recommander, car elle contribue à polluer le métal par des nitrures et réduit la teneur de l'acier à rupture fragile. Par ailleurs, une réduction de la teneur en azote au-dessous de 0,005% en poids n'est pas efficace, car elle entraîne une plus faible formation des phases nitrures finement dispersées. Une teneur additionnelle en arsenic de 0,0035 à 0,0055X en poids pour une teneur en cuivre de 0,11 à 0,20 en poids permet d'élaborer l'acier à partir de matières premières ordinaires, d'après des procédés technologiques connus, tout en atteignant des caractéristiques technologiques et des propriétés en service élevées du métal. L'abaissement de la teneur en arsenic au-dessous de la valeur indiquée n'est pas efficace et conduit à une complication des processus technologiques d'élaboration de l'acier, alors qu'une augmentation de la teneur en arsenic au-dessus de 0,0055% en poids peut influer d'une façon néfaste sur la tenue de l'acier aux rayonnements et sur sa pureté. Une teneur en chrome de 1,7 à 2,4% en poids de l'acier améliore sa trempabilité, permet d'obtenir l'uniformité des caractéristiques de résistance mécanique et de plasticité dans des épaisseurs jusqu'à 650 mm, d'augmenter sa résilience, et d'abaisser sa température de transition de l'état fragile à l'état ductile. La réduction de la teneur en chrome au-dessous de 1,7X en poids ne permet pas d'obtenir l'ensemble de caractéristiques mécaniques requis pour l'acier, en premier lieu les caractéristiques de résistance mécanique et une basse température critique de fragilité. Par ailleurs, une élévation de la teneur en chrome de l'acier au-dessus de 2,4% en poids n'est pas avantageuse, étant donné qu'elle risque d'entralner la formation de carbures complexes conduisant à un abaissement des valeurs de la résilience et de la résistance mécanique. Une teneur en chrome jusqu'à 2,4% en poids allant de pair avec la présence de nickel et de molybdène permet d'augmenter sensiblement la résistance mécanique de l'acier. Pour cette raison, en plus du chrome, on a introduit dans l'acier du nickel dans les limites de 1,0 à 1,5% en poids et du molybdène dans les limites de 0,5 à 0,7% en poids. La teneur indiquée en carbone de 0,13 à 0,18X en poids permet d'obtenir un acier de résistance mécanique améliorée sans réduire sa température de fragilité, ni compromettre les propriétés technologiques des ébauches de forge d'une épaisseur allant jusqu'à 650 mm. Une teneur en silicium de l'acier comprise dans les limites indiquées garantit sa désoxydation complète et l'obtention d'une pièce de fonderie homogène et dense. Une élévation de la teneur en silicium de l'acier audessus de 0,37% en poids peut entraîner sa pollution par des inclusions non métalliques et détériorer sa résilience. Une teneur en vanadium de 0,05 à 0,12% en poids permet d'obtenir une structure à grain fin de l'acier, ce qui contribue à une amélioration de sa résilience et à un abaissement de sa température de rupture dans la zone intermédiaire de fragilité et de ductilité. Le principal constituant de l'acier est le fer et, outre les éléments d'addition, il contient (% en poids), les impuretés suivantes soufre jusqu'à 0,02 et phophore jusqu'à 0,02. L'acier suivant l'invention peut être utilisé avec le maximum d'efficacité pour la construction de corps de réacteurs atomiques de grande puisaance. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description de plusieurs types de composition de l'acier, avec référence au tableau annexé. On élabore l'acier suivant l'invention dans des fours à arc électrique ou dans des fours Siemens-Martin d'après des procé- dés d'élaboration connus. On effectue la désoxydation de l'acier au moyen des matériaux généralement utilisés en métallurgie à cet effet. Exemple 1 L'acier contient, % en poids carbone 0,18 cuivre 0,13 silicium 0,26 arsenic 0,004 manganèse 0,45 chrome 1,89 nickel 1,33 molybdène 0,56 vanadium 0,10 aluminium 0,02 azote 0,008 fer et impuretés : le complément à 100. Ladite composition permet d'obtenir un acier ayant à la température de service de 350pu, une charge de rupture au 2 moins égale à 63,0 kgf'mm2 et une limite de fluage au moins éga 2 le à 56,3 kgf'mm2. L'allongement relatif et la striction de l'acier ont des valeurs élevées et sont égales respectivement à 16,4-19,2% et 71,0-73,5%.- La résilience de l'acier conserve des valeurs élevées au cours des essais sous des températures audessous de zéro et s'échelonne de 13,0 à 19,4 kgm'cm à moins 200C. EXEMPLE 2.- L'acier contient, % en poids carbone 0,16 silicium 0,21 manganèse 0,35 chrome 1,76 nickel 1,37 molybdène 0,53 vanadium -0,07 aluminium 0,03 azote 0,006 cuivre 0,11 arsenic 0,005 fer et impuretés : le complément à 100. L'acier de la composition sus-indiquée a présenté au cours des essais de traction à 350"C une charge de rupture au 2 moins égale à 60 kgf'mm2 et une limite de fluage au moins égale 2 à 51,8 kgf'mm . L'allongement relatif de l'acier est égal de 16,0 à 18,0% et la striction à 70,4 à 71,0%. La résilience de l'acier sur des éprouvettes à entaille triangulaire du type Charpy au cours des essais à moins 20"C est de 19,8 à 22,0 2 2 kgm'cm et à moins 50"C de 12,2 à 19,0 kgmcm2. EXEMPLE 3. L'acier contient, % en poids carbone 0,16 silicium 0,22 manganèse 0,38 chrome 2,30 nickel 1,32 molybdène 0,57 vanadium 0,10 aluminium 0,01 azote 0,005 cuivre 0,16 arsenic 0,0055 fer et impuretés : le complément à 100. La charge de rupture de l'acier de la composition susindiquée,à la température des essais de 3500C, varie entre 2 59,5 à 60,5 kgf'mm2, alors que sa limita d'écoulement varie de 2 51,8 à 53,6 kgf'mm . L'allongement relatif de l'acier est de 15,2 à 16,4%, alors que sa striction varice de 72,0 à 75,0%. La résilience de l'acier au cours de-s essais à plus de 20"C 2 est de 23,7 à 26,2 kgm'cm , alors qu'à moins 200C, elle est de 2 12,4 à 16,8 kgm'cm2, Les caractéristiques mécaniques de l'acier suivant l'invention sont réunies dans le tableau annexé où elles sont compa réas à celles d'un acier de composition connue. Pour comparer les caractéristiques mécaniques à régimes de traitement thermique égaux et à égalité d'épaisseur des ébauches de forge (330 mm), on a choisi la composition chimique de l'acier indiqué dans l'exemple 4. EXEMPLE 4- L'acier contient % en poids carbone 0,17 silicium 0,26 manganèse 0,45 chrome 1,74 nickel 1,35 molybdène 0,57 vanadium 0,10 aluminium 0,02 azote 0,007 cuivre 0,12 arsenic 0,0038 fer et impuretés : le complément à 100. L'acier suivant l'invention, par comparaison avec l'acier connu, à égalité des conditions des essais et à caractéristiques de plasticité pratiquement égales, présente des caractéristiques de résistance mécanique améliorées : la charge de rupture de l'acier suivant l'invention à la température de plus 20"C est de 69,2 à 71,0 kgf'mm2, et celle de l'acier connu est de 65,6 à 67,9 kgf'mm2, la limite d'écoulement de l'acier sui- vant l'invention est de 57,7 à 62,2 kgf'mm2, tandis que pour l'acier connu elle est de 49,3 à 54,6 kgf'mm . La résilience sur éprouvettes Charpy à entaille triangulaire à plus 20eC pour 2 l'acier suivant l'invention est de 26,3 à 27,5 kgm'cm , tandis 2 que pour l'acier connu elle est de 16,7 à 18,0 kgm'cm , à moins 200C pour l'acier suivant l'invention, elle est de 20,0 à 23,4 kgm'cm , et pour l'acier connu de 2,4 à 11,6 kgm'cm . L'acier suivant l'invention présente une résilience jusqu'à 9 kgm'cm2 à la température des essais de moins 1000 C. L'acier suivant l'invention a des valeurs élevées de sa résilience après vieillissement thermique et déformation, et une faible sensibilité aux agents concentrateurs de contraintes. La haute aptitude technologique de l'acier selon l'invention pour le soudage est caractérisée par la résilience du métal de la zone contiguë au cordon de soudure qui, sans revenu, se 2 chiffre à la température de moins 20"C par 8 à 9 kgm'cm . L'acier suivant l'invention offre toute garantie d'absence de fissures dans la zone du cordon de soudure des éléments à grand encombrement lors du préchauffage pour soudure à une température de 150 à 2000C. L'acier suivant l'invention présente un léger décalage de la température critique de fragilité après irradiation. A une température d'irradiation de 260 à 320"C par un flux de neutrons de 1,3 x 10 n'cm2 et d'une énergie E supérieure à 0,5 MeV, l'élévation de la température critique de fragilité est de 70 à 800C. L'acier a subi les essais industriels complets et une étude complète des caractéristiques sur des ébauches de forge, ,des laminés et des assemblages soudés exécutés par soudage sous flux, soudage manuel à l'arc et soudage sous laitier électroconducteur. Ltacier suivant l'invention et ses assemblages soudés ont des valeurs élevées de résistance cyclique à tous les régimes des essais,- et des caractéristiques stables de tenue au feu et de rupture fragile. L'étude combinée de toutes les caractéristiques de service de l'acier le caractérisent comme un matériau d'une haute aptitude technologique qui peut être utilisé dans le génie nucléaire des centrales électriques pour la construction de réacteurs atomiques de grande puissance et autres réservoirs sous pression. Bien entendu, différentes modifications ne sortant pas du cadre de l'invention pourront être apportées à l'acier qui vient d'être décrit à l'aide de modes de réalisation préférés, mais non limitatifs. REVENDICATION Acier contenant du carbone, du silicium, du manganèse, du nickel, du chrome, du molybdène, du vanadium, du cuivre et du fer, caractérisé en ce qu'il contient, en outre, de l'aluminium, de l'azote et de l'arsenic, les constituants du susdit acier étant les suivant avec les proportions indiquées (% en poids) carbone de 0,13 à 0,18 silicium de 0,17 à 0,37 manganèse de 0,30 à 0,60 chrome de 1,7 à 2,4 nickel de 1,0 à 1,5 molybdène de 0,5 à 0,7 vanadium de 0,05 à 0,12 aluminium de 0,01 à 0,35 azote de 0,005 à 0,012 cuivre de 0,11 à 0,20 arsenic de 0,0035 à 0,0055 fer et impuretés : le complément à 100.