Les éléments d’addition et leurs rôles sur les inoxydables 

Dans le contexte industriel actuel et pour répondre aux besoins de notre société, les entreprises sont face à des défis croissants, en effet, avec la globalisation du marché et l’augmentation de l’exigence du client et aux besoins de la société, ils doivent aujourd’hui produire dans des délais plus courts des produits de plus en plus complexes et individualisés. Pour résoudre ce paradoxe, il faut s’appuyer sur le choix d’un matériau pour la conception et la fabrication des produits industriels qui a été toujours au centre des préoccupations des concepteurs. Les domaines tels que les télécommunications, les transports, le spatial, la santé, l’énergie et le sport, … sont à l’origine de l’émergence de produits qui doivent répondre à des fonctionnalités nouvelles et variées et à des règles de sécurité de plus en plus strictes. Dans la sélection des matériaux qui conviennent le mieux aux exigences du produit il faut s’appuyer sur une approche ayant une longue expérience industrielle et sur de nouvelles méthodes d’analyse et de caractérisation nécessaires à la compréhension et à la prédiction des mécanismes affectant les performances, la fiabilité et la durée de vie des matériaux [1]. Ce choix est rendu plus difficile par le développement de nouveaux matériaux, grâce aux progrès prodigieux de la mécanique des matériaux. La maîtrise du comportement des matériaux pendant leur mise en œuvre et en service est une nécessité dans le monde industriel. Cette dernière décennie a connu l’amélioration des outils de simulation numérique permettant, l’intégration de lois de comportement fortement non linéaires d’une part et à grand nombre d’équations constitutives d’autre part.

Les aciers inoxydables 

Le circuit primaire d’une centrale nucléaire comporte plusieurs composants comme la cuve du réacteur, les générateurs de vapeur, les pompes primaires, un pressuriseur etc.., et les tuyauteries reliant entre eux ces éléments. La sûreté demande de s’assurer en permanence de l’absence de tout risque de rupture brutale des composants du circuit. Donc les matériaux dont sont faits les composants sous pression doivent posséder de bonnes propriétés mécaniques telles que les aciers inoxydables, et en parallèle de nombreux contrôles non destructifs permettent d’éliminer les pièces qui présentent des défauts de fabrication non tolérables. L’homme a fabriqué les aciers depuis le Moyen-âge. À la fin du XVIIIème siècle la science de la métallurgie apparaît avec la définition de trois types de produits ferreux: le fer, la fonte et l’acier [16]. Au début du XXème siècle, les aciers inoxydables ont commencé à être développés industriellement. Entre 1904 et 1911, les Français Léon Guillet et Portevin et l’Allemand Goldschmidt, publièrent leurs premiers résultats portant sur des nuances des différents alliages. En 1911, l’Allemand Philip Monnartz mettait en évidence l’influence du taux en chrome des alliages et leur résistance à la corrosion. En 1913 lors des travaux réalisé par l’Anglais Harry Brearley sur l’érosion dans les canons d’armes à feu, qui développa un acier appelé rustless (sans rouille) et qui sera ensuite renommé stainless qui sera officiellement le premier acier à porter le nom d’inoxydable [17,18]. A partir de 1914, dans l’industrie de la coutellerie, un acier de 14% de chrome s’est répandu au besoin de se domaine [19]. Les procédés utilisés ont évolué constamment et la mise au point de nouvelles méthodes de fabrication et de conversion des aciers, permettant une fabrication en masse d’aciers de qualité [20].

Généralités sur les aciers inoxydables

Les aciers inoxydables sont des alliages métalliques à base de fer et de carbone créés simultanément en Europe et en Amérique au début du XXème siècle. Ces matériaux sont utilisés dans nombreux domaines industriels tels que l’énergie (production et transport), médicine, sport et agro-alimentaire. Dans les aciers inoxydables, la présence de chrome au moin de 12% favorise la résistance dans des milieux oxydants, en formation d’une couche de passivité. L’ajout de différents éléments d’alliages tel que: Ni, Mo, Cu, Si, … en plus de chrome, ces éléments se répartissent en deux catégories : (éléments alpha gènes) ceux qui stabilisent le fer (α), et (éléments gamma gènes) ceux qui stabilisent le fer (γ) figure (I.1), on peut obtenir une grande variété d’aciers inoxydables figure (I.2), qui diffèrent par les caractéristiques métallurgiques d’une part et par les propriétés thermo physiques ou mécaniques d’autre part. La modification de ces caractéristiques peut être également par des traitements thermiques appropriés et/ou mécaniques particuliers, donc suivant la teneur en chrome et les traitements métallurgiques qu’ils ont subis, ils présentent une large gamme de propriétés .

Les éléments d’addition et leurs rôles sur les inoxydables 

Les éléments d’addition ajoutés à l’alliage métallique à base de fer (Fe + C),jouent un rôle particulier sur les caractéristiques générales, ou un rôle commun lorsque plusieurs éléments d’addition sont présents dans la composition chimique finale. Les éléments d’alliages se décomposent en deux concepts :

– ceux qui stabilisent le fer (α) – Eléments alpha gènes –
– ceux qui stabilisent le fer (γ) – Eléments gamma gènes –

Les renseignements suivants montrent la nature d’influence que peuvent avoir quelques éléments d’alliage et leurs rôles quant ils sont additionnés à un acier.

Classification des aciers inoxydables

L’acier est un alliage métallique constitué d’au moins deux éléments qui sont le fer et le carbone. Il y a plusieurs familles d’aciers qui dépendent de la nature et de la teneur en éléments d’alliage qui modifient le diagramme d’équilibre Fer-Carbone. On donne ainsi :
– Les aciers fortement alliés, aussi les aciers inoxydables ou les aciers multiphasés.
– Les aciers faiblement alliés,
– Les aciers non-alliés, aussi les aciers au carbone ou les aciers spéciaux,

Les aciers inoxydables ont une excellente résistance à la corrosion et aussi d’excellentes caractéristiques mécaniques en termes de ductilité ou de ténacité selon les éléments d’alliage. On distingue parmi les aciers inoxydables, selon leur teneur en Chrome et les traitements métallurgiques qu’ils ont subis :

– Les aciers inoxydables martensitiques (magnétiques),
– Les aciers inoxydables ferritiques (magnétiques, de structure Cubique Centrée),
– Les aciers inoxydables austénoferritiques (phase austénitique amagnétique CFC, et phase ferritique magnétique CC),
– Les aciers inoxydables à durcissement par précipitation,
– Les aciers inoxydables austénitiques (amagnétiques, de structure Cubique à Faces Centrées).

Les aciers inoxydables martensitiques (magnétiques)

Ils sont utilisés quand les caractéristiques de résistance mécanique sont importantes. La trempe augmente la limite d’élasticité, la résistance à la rupture et la dureté. Ces aciers contiennent une teneur maximale de carbone limitée à (1.2%), en chrome de (12 à 18%) et ils peuvent contenir jusqu’à (7%) de nickel, et jusqu’à (3%) de molybdène. [22] D’autres nuances comme X20Cr13, X29CrS13 sont plus chargées en additions, avec éventuellement un faible pourcentage de nickel.

Les aciers inoxydables ferritiques (magnétiques, de structure Cubique Centrée)

Ils ne prennent pas la trempe, ne subissent pas de transformation α vers γ. Dans cette catégorie des aciers la teneur en chrome allant de 13% à 30% et une teneur de carbone (<0.10%), comme X6Cr17, X6CrMo17-1, X3CrTi17 .

Les aciers inoxydables austénoferritiques (phase austénitique amagnétique CFC, et phase ferritique magnétique CC)

Les propriétés des aciers austéno-ferritiques sont dues à la structure biphasée de l’alliage. Ils combinent favorablement les propriétés mécaniques et de corrosion des aciers austénitiques et ferritiques, ils contiennent à la base du fer et du carbone avec des additions de chrome et de nickel dont les quantités sont déterminées pour obtenir un taux de ferrite situé aux environs de 50%. Les teneurs d’éléments d’addition sont : Cr (22 à 27%), Ni (4 à 8%) comme X2CrNiN23-4 .

Les aciers inoxydables à durcissement par précipitation 

Les caractéristiques mécaniques sont obtenues par un traitement de durcissement secondaire suivant un traitement thermique de trempe. Il existe trois groupes :
– Aciers martensitiques à transformation directe.
– Aciers semi-austénitiques ou à transformation martensitique Indirecte.
– Aciers austénitiques à durcissement par durcissement secondaire.

La dégradation par corrosion

Définition

La corrosion est une dégradation d’un matériau métallique sous l’action de milieux corrosifs (agents atmosphériques ou réactifs chimiques), donc c’est une interaction physicochimique entre un métal et son environnement provoquant des modifications dans les propriétés du métal et souvent une dégradation fonctionnelle du métal lui même et du système technique constitué. Le domaine de la corrosion est bien plus vaste et touche toutes sortes de matériaux (métaux, céramiques, polymères) dans différents environnements (milieu aqueux, atmosphère, hautes températures). Les exemples les plus connus sont les altérations chimiques des métaux à l’air ou dans l’eau, telles la rouille qui apparaît dans le fer et l’acier en atmosphère humide quand aucune action de protection n’a été prévue, aussi la formation de vert-de-gris sur le cuivre et ses alliages. L’environnement est de l’air humide contenant du CO2 dissout et parfois du NaCl en suspension (atmosphère côtière). Dans ces conditions, à l’exception des métaux nobles (or, platine, argent), tous les matériaux métalliques ont tendance à se corroder. La pollution de l’atmosphère aggrave les dégâts causés par la corrosion soit dans les centres industriels ou les grandes agglomérations urbaines. [41] L’étude fondamentale des phénomènes de corrosion repose essentiellement sur l’électrochimie. La science des matériaux englobe l’étude appliquée des phénomènes de corrosion qui comporte à la fois des notions de chimie et de physique (physico-chimique). La corrosion est un problème industriel important, et au point de vue économique, elle est d’une importance primordiale car le remplacement des équipements et matériel corrodés présente une charge financière très élevée pendant l’arrêt des installations pour effectuer les réparations nécessaires, donc les pertes dues à la corrosion sont souvent considérables.

Importance de l’environnement

Les métaux existent sous forme d’oxyde (minerai) à l’état naturel, donc le rôle de la métallurgie consiste de faire la transformation oxyde au métal (réduction).

Les métaux ont une tendance à retrouver leur état naturel c’est-à-dire l’oxyde. La stabilité du métal dépend de l’environnement. L’état du métal placé à l’air n’est pas le même que dans de l’eau pure ou l’eau de mer, dans un acide, à haute température dans un climat sec,… Donc la corrosion dépend du :
– l’environnement (milieu) : la température, la capacité d’oxydation, PH, la solution aqueuse…
– le métal (matériau) : composition chimique, structure et microstructure métallurgique, état de surface, des contraintes appliquées ou résiduelles…

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Les aciers inoxydables
I.1 Introduction
I.2 Généralités sur les aciers inoxydables
I.3 Les éléments d’addition et leurs rôles sur les propriétés des aciers inoxydables
I.3.1 Eléments alphagènes
I.3.2 Eléments gammagènes
I.4 Classification des aciers inoxydables
I.4.1 Les aciers inoxydables martensitiques (magnétiques)
I.4.2 Les aciers inoxydables ferritiques (magnétiques, de structure Cubique Centrée)
I.4.3 Les aciers inoxydables austénoferritiques (phase austénitique amagnétique CFC, et phase ferritique magnétique CC)
I.4.4 Les aciers inoxydables à durcissement par précipitation
I.4.5 Les aciers inoxydables austénitiques (amagnétiques, de structure Cubique à Faces Centrées)
I.5 Facteurs influençant la durée de vie en fatigue d’un acier inox austénitique
I.6 Mécanismes de déformation des aciers inoxydables austénitiques en fatigue oligocyclique
I.7 Mécanismes d’endommagement des aciers inoxydables austénitiques en fatigue oligocyclique
I.8 Conclusion
Chapitre II : Généralité sur la dégradation par corrosion et les bases de la mécanique de la rupture
II.1 La dégradation par corrosion
II.1.1 Définition
II.1.2 Importance de l’environnement
II.1.3 Les catégories de dégradations par corrosion
II.1.3.1 La corrosion chimique
II.1.3.2 La corrosion électrochimique
II.1.3.3 La corrosion biochimique
II.1.3.4 Corrosion accompagnée d’usure
II.1.4 Etats d’un métal dans un milieu corrosif
II.1.4.1 Etat d’immunité
II.1.4.2 Etat de passivité
II.1.4.3 Etat d’activité
II.1.5 Types de corrosion
II.1.5.1 Caractérisation suivant les phénomènes physiques
II.1.5.1.1 Corrosion uniforme
II.1.5.1.2 La corrosion caverneuse
II.1.5.1.3 Corrosion par piqûres
II.1.5.1.4 Corrosion fissurante
II.1.5.1.4.1 La fissuration inter-granulaire
II.1.5.1.4.2 La fissuration trans-granulaire
II.1.5.1.5 Corrosion inter-granulaire
II.1.5.2 Caractérisation suivant le mode d’action du milieu
II.1.5.2.1 Corrosion entre deux métaux différents (galvanique)
II.1.5.2.2 Corrosion par frottement
II.1.5.2.3 La fatigue-corrosion
II.1.5.2.4 Corrosion sous contraintes (sous tension)
II.1.5.2.5 Erosion – corrosion
II.1.5.2.6 La cavitation – corrosion
II.1.5.3 Caractérisation suivant les aspects concernés
II.1.5.3.1 La corrosion électrochimique
II.1.5.3.2 La corrosion chimique
II.1.5.3.3 La corrosion sèche
II.1.6 Classification du degré de résistance à la corrosion des matériaux métalliques
II.1.7 Les facteurs de la corrosion
II.1.7.1 Facteurs définissant les modes d’attaque (composition chimique de l’environnement)
II.1.7.2 Facteurs métallurgiques (Composition chimique et microstructure du matériau)
II.1.7.3 Facteurs définissant les conditions et les modes d’emploi
II.1.7.4 Facteurs dépendant du temps
II.2 Les bases de la mécanique de la rupture
II.2.1 Introduction
II.2.2 Les premiers travaux en mécanique linéaire de la rupture
II.2.3 Les premiers critères en mécanique élastoplastique de la rupture
II.2.4 Modes de rupture (d’ouverture)
II.2.5 Approche locale et facteurs d’intensité de contraintes
II.2.6 Approche globale et taux de restitution d’énergie
II.2.7 Intégral de contour J
II.3 Conclusion
Chapitre III : Des notions générales sur la fiabilité et Description générale du modèle de la fiabilité des tuyauteries
III.1 Des notions générales sur la fiabilité
III.1.1 Introduction
III.1.2 Un bref historique
III.1.3 Définitions
III.1.4 Notions de la performance structurale
III.1.5 La démarche d’analyse de fiabilité des structures
III.1.6 Les facteurs qui influencent l’analyse de fiabilité
III.1.7 Concept mathématique de fiabilité
III.1.8 La simulation de Monte Carlo
III.2 Description générale du modèle de la fiabilité des tuyauteries
III.2.1 Description générale
III.2.2 Méthodologie
III.2.2.1 Le Code PRAISE
III.2.2.2 Temps à l’initiation
III.2.2.3 Taille de la fissure à l’initiation
III.2.2.4 La propagation des fissures dues à la CSC
III.2.2.5 Coalescence des fissures
III.2.3 Critère de rupture
III.2.3.1 Critère de rupture pour avoir une fuite
III.2.3.2 Critère pour avoir une rupture totale
III.2.3.3 Quantification et détection de fuite
III.3 Conclusion
Chapitre IV : Un exemple d’application et analyse des résultats
IV.1 Présentation de l’exemple
IV.2 Analyse des résultats
IV.2.1 Effets du changement de la concentration de l’oxygène
IV.2.2 Effets du changement de la température
IV.3 L’effet de remplacement du matériau endommagé
IV.3.1 Etude comparative de l’effet du changement de la concentration de l’oxygène après réparation
IV.3.1.1 Cas d’initiation
IV.3.1.2 Cas de Fuite
IV.3.2 Etude comparative de l’effet du changement de la température de fonction après réparation
IV.3.2.1 Cas d’initiation
IV.3.2.2 Cas de fuite
Conclusion générale

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