Original Article

Mechanical properties of stainless steel by using high temperature microhardness tester

Propriétés mécaniques de l’acier inoxydable déterminées par microdureté à haute température

DMAS, ONERA, Université Paris Saclay, 29 avenue de la division Leclerc, 92322 Chatillon Cedex, France

^* e-mail: bruno.passilly@onera.fr

Received: 22 June 2023
Accepted: 11 July 2023

Abstract

In the aeronautical field, materials are used in severe environmental conditions (temperature, atmosphere), particularly for engine applications. In order to qualify new alloys compositions, ONERA is developing micromechanical characterization means to carry out indentation tests from room temperature up to 700 °C under conditions close to operating conditions. This method presents the interest of performing tests faster than classical mechanical tests like tensile or bending tests under severe conditions and with small amounts of materials. In order to carry out screening tests, a 316L stainless steel is studied and the evolution of hot Vickers hardness properties and yield stress versus temperature are presented. By increasing the applied load from 0.1 to 20 N, we show that we can neglect surface microstructural changes or possible contamination of the sample surface by oxidation. We show that from 0.5 N, the hardness measurement is independent of load on 316L stainless steel. By using Tabor’s law to express the mechanical resistance, we show that the hardness decreases by 50% when the test temperature goes from 20 to 700 °C, which is close to the supplier’s values. A discussion on the use of indentation to determine mechanical resistance and the limitations of this technique is presented. In perspective, these measurements could be carried out at 1000 °C and on many different materials such as layers, coatings, composite materials, brazing cords or additive manufacturing materials.

Résumé

Dans le domaine aéronautique, les matériaux sont utilisés dans des conditions environnementales sévères (température, atmosphère), notamment pour les applications moteurs. Afin de qualifier de nouvelles compositions d’alliages, l’ONERA développe des moyens de caractérisation micromécanique permettant de réaliser des essais d’indentation allant de la température ambiante jusqu’à 700 °C dans des conditions proches des conditions opératoires. Cette méthode présente l’intérêt de réaliser des essais plus rapidement que les essais mécaniques classiques comme les essais de traction ou de flexion dans des conditions sévères et avec de petites quantités de matériaux. Afin de réaliser des tests en série, un acier inoxydable 316L est étudié et l’évolution des propriétés de dureté Vickers à chaud et de la résistance mécanique en fonction de la température sont présentées. En augmentant la charge appliquée de 0,1 à 20 N, nous montrons que nous pouvons négliger les changements microstructuraux de surface ou une éventuelle contamination de la surface de l’échantillon par oxydation. Nous montrons qu’à partir de 0,5 N, la mesure de dureté est indépendante de la charge sur l’inox 316L. En utilisant la loi de Tabor pour exprimer la résistance mécanique, nous montrons que la dureté diminue de 50 % lorsque la température d’essai passe de 20 à 700 °C, ce qui est proche des valeurs du fournisseur. Une discussion sur l’utilisation de l’indentation pour déterminer la résistance mécanique et les limitations de cette technique est présentée. En perspective ces mesures pourraient être effectuées à 1000 °C et sur de nombreux matériaux différents tels que des couches, des revêtements, des matériaux composites, des cordons de brasage ou des matériaux de fabrication additive.