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Développement de tests représentatifs pour
l’évaluation de la sensibilité à la corrosion sous
contrainte d’un laiton α,β’ utilisé pour des
composants de robinetterie gaz
26 novembre 2014
(a ) Doctorant laboratoire commun CETIMAT, CETIM – CIRIMAT
(b) Université de Toulouse, CIRIMAT, UPS / INPT / CNRS, Equipe MEMO
ENSIACET, 4, allée Emile Monso BP 44362, 31030 Toulouse Cedex 4, France
(c )CETIM, Pôle Matériaux Métalliques et Surface
74, route de la Jonelière CS 82617, 44326 Nantes Cedex 3, France
(d) CETIM, Pôle Matériaux Métalliques et Surface
52, Avenue Félix Louat CS 80067, 60304 Senlis Cedex, France
Clément Berne(a) (b) (c), Eric Andrieu(b), Jean-Claude Salabura(b),
Jean-Michel Sobrino(d), Jean Reby(c), Christine Blanc(b)
Observation par microscopie
optique (Champ sombre) d’une
fissure apparue en service sur un
composant de robinetterie gaz
Introduction Matériau Expertise de
rupture Conception d’un
dispositif CSC CSC accélérée Conclusions
Matériau
x 2
014 –
Clém
ent B
ER
NE
– 2
6-1
1-2
014
Contexte industriel
Réseau de distribution gaz
Test actuel :
SROB 100 NF
Fabricant de composants de robinetterie gaz
Manque de reproductibilité
Manque de représentativité
Accréditation
Rupture en service due à de la dissolution et/ou de la fissuration traversante (CSC) (1)
CONCEPTION D’UN NOUVEAU TEST
ACCÉLÉRÉ
1. Mapelli, C.; Gruttaduaria, A.; Bellogini, M. Analysis of the factors involved in failure of a brass sleeve mounted on an
electro-valve. Engineering Failure Analysis, 2010, 431-439. 2
Introduction Matériau Expertise de
rupture Conception d’un
dispositif CSC CSC accélérée Conclusions
Matériau
x 2
014 –
Clém
ent B
ER
NE
– 2
6-1
1-2
014
Pour effectuer des tests accélérés reproductibles, représentatifs et pertinents
Mise en place d’un montage expérimental et choix de conditions de test adaptées
Analyse comparative des endommagements générés par test accéléré et par utilisation en service
Discrimination de matériaux sensibles à la CSC
3 1. Fernandez, S. A.; Alvarez, M. G. Passivity breakdown and stress corrosion cracking of alpha-brass in sodium nitrate
solution. Corrosion Science, 2011, 82-88.
Objectifs
Approche
Qualifier et quantifier l’endommagement de composants de robinetterie gaz rompus en service
Concevoir et utiliser un montage de CSC, dans un milieu NaNO3 à potentiel anodique imposé (1)
Qualifier et quantifier l’endommagement obtenu par test accéléré
Comparer les temps à rupture de différents états métallurgiques
Introduction Matériau Expertise de
rupture Conception d’un
dispositif CSC CSC accélérée Conclusions
Matériau
x 2
014 –
Clém
ent B
ER
NE
– 2
6-1
1-2
014
MATÉRIAU
1. Normalisation Française. Juin 2008. Cuivre et alliages de cuivre - Inventaire des compositions et des produits - XP
CEN/TS 13388. Juin 2008.
2. Raynor, G.V. 1944. Institute of Metals. 1944.
4
α,β’ area CW617N (1) – CuZn40Pb2
Importance de l’histoire
thermomécanique
(2)
Introduction Matériau Expertise de
rupture Conception d’un
dispositif CSC CSC accélérée Conclusions
Matériau
x 2
014 –
Clém
ent B
ER
NE
– 2
6-1
1-2
014
OM
Polissage µm
OM
(Klemm II)
(1)
OM
(Klemm I)
(1)
1. Color Metallography HandBook Volume 9
Etat métallurgique :
Barre Ø65mm Microstructures
α-β’ structure biphasée
Phase enveloppante β’
(phase continue)
Globules de plomb
Grains α maclés, équiaxes
TD ≈24µm
Complexité des grains β’ : équiaxes
TD ≈20µm
Texturation de la phase β’ dans le sens de filage
de la barre
LD ≈ 20µm to 150µm
Distribution hétérogène de la phase α
LD ≈24µm
LD
LD
Direction
Longitudinale
TD Direction Transversale
α
β'
5
20 µm
50 µm
50 µm
TD
α
β'
β'
TD α
Introduction Matériau Expertise de
rupture Conception d’un
dispositif CSC CSC accélérée Conclusions
Matériau
x 2
014 –
Clém
ent B
ER
NE
– 2
6-1
1-2
014
EXPERTISES DE
RUPTURE
6
Introduction Matériau Expertise de
rupture Conception d’un
dispositif CSC CSC accélérée Conclusions
Matériau
x 2
014 –
Clém
ent B
ER
NE
– 2
6-1
1-2
014
Composant D1
7
CW617N matricé (utilisé en coffret)
Faciès de rupture
OM (Klemm I)
Structure de
Widmanstätten due au
matriçage (phase α)
Propagation de fissure
avec peu de dissolution
Propagation de
fissures
intergranulaire
(interphase) et
transgranulaire
α et β’
Dissolution
complète de la
phase β’
Structures ramifiées de fissure
Exté
rie
ur
Inté
rieur
200 µm
Zone de rupture :
Corps du robinet
Introduction Matériau Expertise de
rupture Conception d’un
dispositif CSC CSC accélérée Conclusions
Matériau
x 2
014 –
Clém
ent B
ER
NE
– 2
6-1
1-2
014
CW614N usiné (utilisé enterré)
Dézincification α
Dissolution β’
Large fissure
Intergranulaire
Dézincification β’
Faciès de rupture
Grains α équiaxes
Texturation dans le sens de filage de la barre
Forts phénomènes de dissolution et dézincification
200 µm
Composant B5
8
Zone de rupture :
filetage
inté
rie
ur
exté
rie
ur
500 µm
Introduction Matériau Expertise de
rupture Conception d’un
dispositif CSC CSC accélérée Conclusions
Matériau
x 2
014 –
Clém
ent B
ER
NE
– 2
6-1
1-2
014
Origine de la corrosion
Dans les deux cas, la corrosion provient de l’environnement extérieur
La variété des environnements génère des niveaux de dissolution variés
Origine de la sollicitation mécanique
Pour le composant D1, l’étape de matriçage est suspectée d’inclure des contraintes
résiduelles dans le matériau
Pour le composant B5, la zone de fracture suggère une concentration de contrainte
due au montage de la pièce (couple de serrage appliqué)
9
Les expertises ont mis en évidence des phénomènes de :
- Dissolution (sélective ou non)
- Fissuration par corrosion sous contrainte (CSC)
Introduction Matériau Expertise de
rupture Conception d’un
dispositif CSC CSC accélérée Conclusions
Matériau
x 2
014 –
Clém
ent B
ER
NE
– 2
6-1
1-2
014
CONCEPTION D’UN
DISPOSITIF DE CSC
10
Choix d’un dispositif de CSC par traction :
Homogénéité du champ de contrainte propice à la
fissuration traversante
Introduction Matériau Expertise de
rupture Conception d’un
dispositif CSC CSC accélérée Conclusions
Matériau
x 2
014 –
Clém
ent B
ER
NE
– 2
6-1
1-2
014
Dispositif expérimental
Contrôle des paramètres:
Isolation électrique de l’échantillon
(alumine)
Température
Charge
Déformation (LVDT)
Potentiel
Courant
Agitation
Volume de solution
11
Machine de traction
30kN cellule de force
LVDT Capteur de
déplacement
Cellule de corrosion
(Plexiglas)
Potentiostat
Bain thermostaté
Echangeur thermique
(3L solution)
Zone exposée (mm) 20 x 4
| |
| 30 |
Introduction Matériau Expertise de
rupture Conception d’un
dispositif CSC CSC accélérée Conclusions
Matériau
x 2
014 –
Clém
ent B
ER
NE
– 2
6-1
1-2
014
NaNO3 0.5M, pH 11 (NaOH)
Potentiel anodique constant 50mV/ECS
Chargement mécanique constant
Contrainte initiale égale à 70% de
σys0,2% ≈ 140MPa
CSC ACCÉLÉRÉE
12
Introduction Matériau Expertise de
rupture Conception d’un
dispositif CSC CSC accélérée Conclusions
Matériau
x 2
014 –
Clém
ent B
ER
NE
– 2
6-1
1-2
014
Morphologie de la fissure
• Propagation de fissure principalement
à l’interphase α/β’ et dans la phase β’
Concentration de contrainte
• Peu de dissolution (similaire à la rupture de D1)
Cross section view after µm polishing
13
Propagation de
fissures
intergranulaire/
transgranulaire
α,β’ (vue en
coupe)
LD
Fracture surface
1. Color Metallography HandBook Volume 9
α
α
β'
β'
OM (µm polissage) – Vue en coupe
OM (Klemm II (1)) – Vue en coupe
MEB – Electrons
secondaires
Facies de rupture
MO (µm
polissage) –
Vue en coupe
LD
LD
LD
100 µm
500 µm
10 µm
Introduction Matériau Expertise de
rupture Conception d’un
dispositif CSC CSC accélérée Conclusions
Matériau
x 2
014 –
Clém
ent B
ER
NE
– 2
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1-2
014
Comparaison de sensibilité à la CSC
Résultats reproductibles pour identifier les matériaux critiques :
14
Introduction Matériau Expertise de
rupture Conception d’un
dispositif CSC CSC accélérée Conclusions
Matériau
x 2
014 –
Clém
ent B
ER
NE
– 2
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014
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Deux phénomènes de corrosion mis en évidence après
expertises : Dissolution et Fissuration par CSC
Le montage de CSC est fiable
Les conditions choisies permettent de générer des défauts
de corrosion similaires à un type d’endommagement
observé sur pièces expertisées
Le test permet d’évaluer la sensibilité à la fissuration de
différents matériaux
Conclusions
Perspectives
Etudes plus approfondies du mécanisme de
fissuration par CSC : Analyse poussée de la
morphologie des fissures (FIB, MET)
Identification des étapes d’incubation, d’initiation et,
de propagation des fissures et des paramètres de 1er
ordre associés
Tester des états métallurgiques représentatifs de
ceux présents sur les composants de robinetterie
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