Gรฉnรฉralitรฉs sur les aciers inoxydables austรฉnitiques
Cette รฉtude porte sur un acier inoxydable austรฉnitique, lโacier 316L. Sauf cas particuliers, nous limiterons donc notre revue bibliographique au cas des aciers inoxydables austรฉnitiques. Les aciers inoxydables austรฉnitiques contiennent une teneur รฉlevรฉe en chrome (>17 % en rรจgle gรฉnรฉrale) et en nickel (> 8%). Parmi les nuances les plus rรฉpandues, on trouve les aciers 304 et 316 qui contiennent 17 ร 18% de chrome, 10 ร 12% de nickel et 2% de molybdรจne dans le cas des aciers 316. Le chrome apporte la rรฉsistance ร la corrosion gรฉnรฉralisรฉe via la formation dโune couche dโoxyde passif. Il sโagit dโun รฉlรฉment alphagรจne, cโest-ร -dire stabilisant la phase ferritiqueย (cubique centrรฉe). Du molybdรจne peut รฉgalement รชtre ajoutรฉ en faible quantitรฉ pour amรฉliorer la stabilitรฉ du film passif et donc, la rรฉsistance ร la corrosion localisรฉe (piqรปration, crevasse et CSC). Le nickel, ajoutรฉ en teneur importante, permet de stabiliser la phase austรฉnitique (cubique ร faces centrรฉes) du fait de son caractรจre gammagรจne. Le diagramme de Shaefflerย indique les phases susceptibles dโรชtre formรฉes dans les aciers, ร tempรฉrature ambiante ร lโรฉtat brut de soudage, en fonction des teneurs en รฉlรฉments alphagรจnes (รฉquivalent Cr) et gammagรจnes (รฉquivalent Ni). Il montre que plus la teneur en nickel est importante, plus la teneur en ferrite rรฉsiduelle est faible. Le manganรจse, lui aussi gammagรจne, peut รชtre utilisรฉ en substitution du nickel.
A noter que les aciers inoxydables austรฉnitiques peuvent prรฉsenter une dรฉchromisation des joints de grains liรฉs ร la prรฉcipitation de carbures de chrome intergranulaires lors de traitements thermiques ou dโopรฉration de soudage. Ces aciers sont alors dits sensibilisรฉs. Pour limiter la prรฉcipitation intergranulaire de carbures de chrome, des nuances ร basses teneur en carbone (nuances ยซ L ยป) ont รฉtรฉ dรฉveloppรฉes. Un traitement thermique dโhypertrempe peut aussi รชtre rรฉalisรฉ. Le carbone est alors remis en solution, ร une tempรฉrature de 1000 ร 1150ยฐC pendant quelques dizaines de minutes, puis le matรฉriau est trempรฉ de faรงon ร obtenir une solution solide mรฉtastable, sursaturรฉe en carbone.
Les aciers inoxydables austรฉnitiques contiennent รฉgalement de la ferrite rรฉsiduelle ฮด, de structure cubique centrรฉe. Cette phase a des propriรฉtรฉs mรฉcaniques, et un comportement vis-ร -vis de la corrosion, diffรฉrents de ceux de lโaustรฉnite. En particulier, cette phase est plus dure que lโaustรฉnite et tend ร localiser la dรฉformation dans les grains dโaustรฉnite environnants lorsque les รฉchantillons sont chargรฉs mรฉcaniquement. De mรชme, les aciers inoxydables austรฉnitiques peuvent รชtre sensibles ร la transformation martensitique : sous lโeffet de la dรฉformation plastique, lโaustรฉnite peut se transformer en martensite. La prรฉsence de martensite a un impact bien connu sur les propriรฉtรฉs mรฉcaniques, avec notamment une baisse de la ductilitรฉ et une hausse de la limite dโรฉlasticitรฉ. La prรฉsence รฉventuelle de ferrite rรฉsiduelle ฮด et de martensite doit donc รชtre prise en compte pour lโรฉtude de la sensibilitรฉ ร la CSC des aciers inoxydables austรฉnitiques.
Oxydation des aciers inoxydables en milieu primaire REP nominal
Morphologie, nature et composition des couches dโoxyde de surface
En milieu primaire REP nominal, une double couche dโoxyde de surface est observรฉe sur les grains dโaustรฉniteย des aciers inoxydables austรฉnitiques 304 et 316 (nuances ยซ L ยป ou non).ย La couche dโoxyde externe est discontinue, constituรฉe de cristallites individuelles dโune taille hรฉtรฉrogรจne allant de quelques dizaines de nanomรจtres ร quelques micromรจtres. Ces cristallites, de forme pyramidale prรฉsentent des facettes marquรฉes. Elles ont une structure de type spinelle et sont majoritairement riches en fer. Du chrome et du nickel peuvent รฉgalement รชtre prรฉsents en proportions variables selon les รฉtudes. La couche externe est gรฉnรฉralement identifiรฉe comme de la magnรฉtite Fe3O4.
La couche dโoxyde interne est continue et constituรฉe de grains de taille nanomรฉtrique. Elle contient une teneur รฉlevรฉe en Cr et est de structure spinelle. Le rapport Cr/Fe dรฉpend des conditions dโoxydation et de la nature de lโacier inoxydable. Par exemple, Bach (Bach, 2018) obtient un rapport atomique Cr/Fe supรฉrieur ร 1 pour la partie la plus interne de la couche interne, et infรฉrieur ร 1 pour la plus externe de la couche interne formรฉe sur un coupon oxydรฉ 500h en milieu primaire nominal. La teneur en nickel relevรฉe est gรฉnรฉralement assez faible, de lโordre de 5 ร 10% atomiques parmi les รฉlรฉments mรฉtalliques.
Dans le cas dโรฉchantillons polis miroir avant oxydation, plusieurs รฉtudes montrent que lโinterface couche externe/couche interne est plane, contrairement ร lโinterface mรฉtal/oxyde, qui prรฉsente en gรฉnรฉral une rugositรฉ de lโordre de quelques dizaines de nanomรจtres pour une couche interne de quelques dizaines ร centaines de nanomรจtres dโรฉpaisseur (Shen et al., 2019 ; Terachi et al., 2006). Plusieurs auteurs sโaccordent sur le fait que lโinterface interne/externe correspond ร la surface initiale de lโรฉchantillon (Shen et al., 2019 ; Terachi et al., 2006). Ce rรฉsultat suggรจre un mรฉcanisme dโoxydation anionique pour la formation de la couche interne, et cationique pour la couche externe. Un enrichissement en Ni ร lโinterface mรฉtal/couche interne du cรดtรฉ du mรฉtal, parfois associรฉ une dรฉplรฉtion en Fe, mais pas en Cr, a รฉgalement รฉtรฉ relevรฉ dans plusieurs รฉtudes (Kruska et al., 2012 ; Perrin et al., 2013 ; Shen et al., 2019 ; Soulas et al., 2013 ; Terachi et al., 2006). Deux phรฉnomรจnes peuvent avoir lieu, de maniรจre indรฉpendante ou concomitante :
– Lโenrichissement relatif en Ni rรฉsulterait dโun appauvrissement en Fe et en Cr, consommรฉs pour la formation de lโoxyde (Soulas, 2012). Il sโagit dans ce cas dโun enrichissement apparent en Ni.
– Lors de la croissance de la couche interne dans lโalliage, par un mรฉcanisme anionique, le Ni nโest pas oxydรฉ et serait alors ยซ rejetรฉ ยป dans lโalliage sous-jacent. Il sโagit alors dโun vรฉritable enrichissement en Ni de lโalliage sous-jacent (Shen et al., 2019).
On peut donc conclure quโen milieu primaire nominal des REP, dans le cas dโรฉchantillons polis non prรฉdรฉformรฉs, les aciers inoxydables austรฉnitiques forment une couche duplex dโoxyde en surface des grains dโaustรฉnite. La couche externe est constituรฉe de cristallites individuelles de magnรฉtite pouvant contenir un peu de nickel, dont la taille varie de la dizaine de nanomรจtres ร quelques micromรจtres. La couche interne, dโune รฉpaisseur de quelques dizaines ร centaines de nanomรจtres, est formรฉe de nanograins dโoxyde de structure spinelle, riche en chrome et en fer et contenant un peu de nickel. Sous la couche interne, un enrichissement en nickel mรฉtallique est souvent constatรฉ.
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Table des matiรจres
1. INTRODUCTION
2. REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
2.1.OXYDATION ET CORROSION SOUS CONTRAINTE DES ACIERS INOXYDABLES EN MILIEU PRIMAIRE NOMINAL DES REP
2.1.1. Gรฉnรฉralitรฉs sur les aciers inoxydables austรฉnitiques
2.1.2. Oxydation des aciers inoxydables en milieu primaire REP nominal
2.1.3. CSC des aciers inoxydables en milieu primaire REP
2.2.EFFET DE LโOXYGENE DISSOUS SUR LโOXYDATION ET LA CSC DES ACIERS INOXYDABLES EN MILIEU PRIMAIRE REP
2.2.1. Effet de la teneur en oxygรจne dissous sur les propriรฉtรฉs รฉlectrochimiques
2.2.2. Oxydation en milieu REB NWC et HWC
2.2.3. Oxydation en milieu primaire oxygรฉnรฉ
2.2.4. Effet de lโoxygรจne dissous sur la sensibilitรฉ ร la CSC
2.2.5. Synthรจse
3. MATERIAU ET TECHNIQUES EXPERIMENTALES
3.1.MATERIAU
3.1.1. Composition chimique et microstructure
3.1.2. Propriรฉtรฉs mรฉcaniques
3.2.ESSAIS DโOXYDATION ET DE CSC
3.2.1. Autoclaves statiques (milieu primaire nominal)
3.2.2. Essais dโoxydation et de CSC dans la boucle CoPo
4. SENSIBILITE A LA CSC DE LโACIER INOXYDABLE 316L ECROUI EN MILIEU PRIMAIRE REP
4.1.DEMARCHE EXPERIMENTALE
4.1.1. Mรฉthodologie expรฉrimentale
4.1.2. Analyse de la sensibilitรฉ ร la CSC
4.2.EFFET DU TRAJET DE CHARGEMENT EN MILIEU PRIMAIRE NOMINAL
4.2.1. Gรฉomรฉtrie et prรฉparation de lโรฉprouvette en croix
4.2.2. Rรฉalisation de lโessai de CSC avec changement de trajet de chargement
4.2.3. Analyse de la fissuration par CSC
4.2.4. Essai de CSC avec changement de trajet de chargement en milieu primaire nominal : synthรจse
4.3.EFFET DU MILIEU SUR LโAMORรAGE DE LA CSC
4.3.1. Principe de lโessai
4.3.2. Milieux utilisรฉs pour les essais de CSC
4.3.3. Sensibilitรฉ ร lโamorรงage de la CSC
4.3.4. Effet des analyses EBSD et du dรฉpรดt des microgrilles dโor-palladium sur la fissuration par CSC
4.3.5. Quantification des rรฉseaux de fissures de CSC en surface
4.3.6. Quantification des rรฉseaux de fissuration en coupe
4.3.7. Effet de la nature et de la dรฉsorientation des joints de grains sur la fissuration par CSC
4.3.8. Bilan des essais
5. OXYDATION DE LโACIER INOXYDABLE 316L EN MILIEU PRIMAIRE REP NOMINAL ET AVEC PRESENCE DโOXYGENE DISSOUS
5.1.DEMARCHE EXPERIMENTALE
5.1.1. Prรฉparation des รฉchantillons
5.1.2. Essais dโoxydation
5.1.3. Caractรฉrisations rรฉalisรฉes
5.2.EFFET DU MILIEU SUR LโOXYDATION DE LโACIER INOXYDABLE 316L NON PREDEFORME
5.2.1. Morphologie des couches dโoxyde de surface
5.2.2. Nature et composition de la couche dโoxyde
5.2.3. Synthรจse
5.3.EFFET DU CHARGEMENT MECANIQUE SUR LA MORPHOLOGIE DE LโOXYDE
5.3.1. Effet dโune prรฉdรฉformation et du chargement mรฉcanique sur les couches dโoxyde de surface
5.3.2. Influence de la dรฉformation sur les pรฉnรฉtrations dโoxyde
5.3.3. Synthรจse
5.4.CINETIQUE DโOXYDATION
5.4.1. Cinรฉtique dโoxydation en milieu primaire nominal
5.4.2. Cinรฉtique dโoxydation en milieu primaire aรฉrรฉ et avec transitoires oxygรฉnรฉs
5.4.3. Synthรจse : effet du milieu sur la cinรฉtique dโoxydation
5.5.SYNTHESE
6. EFFET DE LโOXYGENE DISSOUS SUR LโOXYDATION ET LA SENSIBILITE A LA CSC DES ACIERS INOXYDABLES ECROUIS
6.1.OXYDATION ET CSC EN MILIEU PRIMAIRE NOMINAL
6.1.1. Nature des oxydes et cinรฉtique dโoxydation en milieu primaire nominal
6.1.2. Amorรงage de la CSC en milieu nominal : effet de la prรฉ-dรฉformation et du trajet de chargement
6.1.3. Scรฉnario envisagรฉ pour lโamorรงage intergranulaire de fissures de CSC en milieu primaire nominal
6.1.4. Comparaison vitesse dโavancรฉe des fissures de CSC / cinรฉtique dโoxydation intergranulaire
6.2.EFFET DE LโOXYGENE DISSOUS SUR LโOXYDATION ET LA CSC DES ACIERS INOXYDABLES EN MILIEU PRIMAIRE REP
6.2.1. Effet de lโoxygรจne dissous sur lโoxydation
6.2.2. Oxygรจne dissous et potentiel รฉlectrochimiques
6.2.3. Sensibilitรฉ ร la CSC en milieu aรฉrรฉ : effet des conditions dโessai
6.2.4. Scรฉnario envisagรฉ pour lโamorรงage de fissures intergranulaires de CSC en traction lente en milieu aรฉrรฉ
6.3.EFFET DES TRANSITOIRES OXYGENES SUR LโOXYDATION ET LA CSC
6.3.1. Effet des transitoires oxygรฉnรฉs sur lโoxydation
6.3.2. Scรฉnario dโoxydation avec transitoires oxygรฉnรฉs
6.3.3. Sensibilitรฉ ร la CSC avec transitoires oxygรฉnรฉs
6.3.4. Scรฉnario envisagรฉ pour lโamorรงage de fissures intergranulaires de CSC en traction lente avec transitoires oxygรฉnรฉs
6.4.SYNTHESE
7. CONCLUSION GENERALE