Introduction à la corrosion intergranulaire

La corrosion intergranulaire (CIG) est une forme de corrosion localisée qui attaque les limites des grains d'un métal ou d'un alliage tout en laissant les intérieurs des grains en vrac relativement inaltérés. Cette attaque sélective peut entraîner une perte catastrophique d'intégrité mécanique, souvent sans dommages apparents à la surface jusqu'à ce qu'il y ait défaillance.

Les défaillances catastrophiques des tuyauteries, des échangeurs de chaleur et des récipients sous pression ont été attribuées à des attaques intergranulaires, entraînant des temps d'arrêt de production, des réparations coûteuses et des risques pour la sécurité.

Qu'est-ce que la corrosion intergranulaire?

Dans les matériaux polycristallins, les limites des grains sont des régions de haute énergie où il existe un mauvais couplage atomique. Ces limites peuvent devenir chimiquement ou microstructurellement différentes des limites intérieures des grains en raison de divers procédés métallurgiques, tels que le traitement thermique, le soudage ou l'exposition au service.

Le mécanisme de corrosion implique généralement la formation d'une cellule galvanique entre la région limite du grain et l'intérieur du grain. Si la limite du grain s'épuise dans un élément passivant (p. ex. chrome) ou enrichi dans un élément agressif, elle devient anodique par rapport à l'intérieur du grain, ce qui entraîne une dissolution préférentielle. L'attaque peut pénétrer profondément dans le matériau, réduisant sa section transversale portante et causant une défaillance prématurée sous contrainte.

Contrairement au piquage, qui produit des cavités discrètes, le CIG peut se propager comme un réseau de fissures fines le long des frontières des grains. Contrairement au craquage par corrosion sous contrainte (CSC), le CGC n'exige pas de contrainte par traction pour déclencher, bien que le stress puisse accélérer le processus.

Causes et mécanismes de la corrosion intergranulaire

Sensibiliser : la cause première dans les aciers inoxydables

La cause la plus connue de l'IGC est la sensibilisation, phénomène qui se produit dans les aciers inoxydables austénitiques et dans certains autres alliages. Lorsque ces matériaux sont chauffés dans une plage de température d'environ 450–850 °C (840–1560 °F) — souvent pendant le soudage, le soulagement des contraintes ou le refroidissement lent — les carbures de chrome (Cr23]C6) précipitent aux limites des grains. Le chrome est l'élément primaire qui confère une résistance à la corrosion en formant un film d'oxyde passif. La précipitation des carbures de chrome appauvrit localement la teneur en chrome dans la région adjacente aux grains, la faisant tomber sous le niveau (généralement 12% Cr) nécessaire pour maintenir la passivité dans des environnements corrosifs.

Les facteurs qui influent sur la sensibilisation sont notamment les suivants :

  • Teneur en carbone: Des niveaux de carbone plus élevés augmentent la quantité de carbure de chrome qui peut précipiter. Les grades de carbone bas (p. ex. 304L, 316L) sont moins sujets à la sensibilisation.
  • Température et temps: Le degré de sensibilisation dépend du temps passé dans la gamme de sensibilisation. De courtes expositions, comme dans le soudage, peuvent provoquer une sensibilisation dans la zone affectée par la chaleur (HAZ).
  • Éléments de stabilisation:[ Les alliages contenant du titane ou du niobium (p. ex. 321, 347) forment des carbures préférentiellement avec ces éléments, en préservant le chrome en solution solide.

Composition de l'alliage et effets microstructuraux

Les alliages à base de nickel (p. ex. alliage 600, alliage 800) peuvent être sensibilisés par le carbure de chrome ou d'autres précipitations intermétalliques. Les alliages d'aluminium, en particulier ceux des séries 2xxx (Al-Cu) et 7xxx (Al-Zn-Mg), sont également sujets au CIG en raison de la formation de phases riches en cuivre ou en magnésium aux limites des grains, créant des couples galvaniques.

Facteurs environnementaux

Dans les aciers inoxydables, les solutions acides contenant des chlorures, des sulfates ou des nitrates peuvent favoriser le CIG. Les acides oxydants tels que l'acide nitrique ou l'acide chromique sont particulièrement nuisibles aux aciers inoxydables sensibilisés. Dans les alliages d'aluminium, les environnements contenant du chlorure (p. ex., atmosphères marines, fluides de dégivrage) sont problématiques.

Stress mécanique et effets combinés

Bien que le CIG puisse se produire sans contrainte appliquée, le stress de traction (résiduel ou appliqué) accélère l'attaque et peut conduire à une fissuration de corrosion de contrainte intergranulaire (IGSCC). Le stress ouvre les fissures de limite de grain, permettant aux milieux corrosifs de pénétrer plus profondément et de prévenir la repassivation.

Méthodes de détection et d'essai

Comme le CIG initie souvent la subsurface, la détection nécessite des techniques spécialisées. L'inspection visuelle peut montrer un aspect --crasé ou --craqué--découpé-- sur les surfaces polies après la gravure, mais en service, une gravure superficielle mineure ou des fissures fines peuvent être les seuls indices visibles.

Examen microscopique

La méthode la plus directe est la préparation métallographique suivie par la microscopie optique ou électronique à balayage (SEM). L'arrachage avec des réactifs appropriés (par exemple, l'acide oxalique pour les aciers inoxydables) révèle une attaque aux limites des grains. La profondeur et la continuité de l'attaque peuvent être quantifiées.

Essais normalisés de corrosion

Plusieurs essais de l'ASTM et de la norme ISO sont utilisés pour évaluer la sensibilité au CIG :

  • ASTM A262: Pratiques pour détecter la susceptibilité à l'attaque intergranulaire dans les aciers inoxydables austénitiques. Comprend le test d'acide oxalique (pratique A), le test d'acide sulfamique ferrique (pratique B), le test d'acide nitrique (pratique C) et le test d'acide sulfarique cuivre-cuivre (pratique E).
  • ASTM G28:[ Méthodes d'essai pour détecter la susceptibilité à la corrosion intergranulaire dans les alliages forgés, riches en nickel et porteurs de chrome.
  • ASTM G110: Pratique pour évaluer la résistance à la corrosion intergranulaire des alliages d'aluminium traités thermiquement par immersion dans une solution de chlorure de sodium + peroxyde d'hydrogène.
  • ISO 3651-1: Détermination de la résistance à la corrosion intergranulaire des aciers inoxydables — Partie 1: aciers inoxydables austéritiques et ferritiques austéritiques (duplex) — Essai de corrosion en milieu acide nitrique.

Ces tests consistent généralement à exposer un spécimen à un milieu corrosif pendant un temps déterminé, puis à évaluer la profondeur de l'attaque ou de la perte de poids.

Méthodes électrochimiques

Les techniques électrochimiques, comme le test de réactivation potentiokinetique électrochimique à double boucle (DL-EPR), sont utilisées pour quantifier le degré de sensibilisation. Cette méthode mesure le courant de réactivation qui se déverse lorsque le métal est polarisé vers un potentiel passif; une réactivation plus élevée indique une sensibilisation plus sévère.

Essais non destructifs

Pour l'inspection sur le terrain, des techniques telles que les essais de courant de Foucault, les essais ultrasoniques et les émissions acoustiques peuvent parfois détecter les IGC s'ils ont produit des fissures importantes. Cependant, les IGC en début de phase sont difficiles à détecter de façon non destructive.

Stratégies de prévention et de contrôle

La corrosion intergranulaire doit être atténuée par une combinaison de choix de matériaux, de contrôle du traitement thermique, de gestion de l'environnement et de pratiques de conception.

Sélection de grades bas en carbone ou stabilisés

Pour les aciers inoxydables austénitiques, la prévention la plus simple consiste à spécifier des nuances à faible teneur en carbone (p. ex. 304L, 316L) avec une teneur maximale en carbone de 0,03%. Ces nuances résistent à la sensibilisation pendant le soudage et le soulagement du stress parce que le carbone est insuffisant pour former des carbures riches en Cr.

Traitement thermique contrôlé

Si un composant a été sensibilisé, un traitement thermique recuit peut rétablir la résistance à la corrosion en dissolvant les carbures de chrome et en distribuant uniformément le chrome. Pour les aciers inoxydables, il faut chauffer à 1040-1120 °C (1900-2050 °F) puis refroidir rapidement (récupérer) pour éviter une nouvelle précipitation des carbures. Il faut veiller à ne pas déformer les sections fines et à éviter d'introduire de nouvelles contraintes.

Pratiques de soudage

En plus d'utiliser des matériaux de base à faible teneur en carbone et des métaux de remplissage, des techniques telles que l'apport thermique faible, le refroidissement rapide et le soudage multi-pass peuvent réduire le temps passé dans la gamme de sensibilisation. Le traitement thermique post-soudage (TFP) peut être appliqué aux grands récipients et aux canalisations pour dissoudre les carbures. Cependant, le TFPF peut être peu pratique pour certaines géométries, faisant de la sélection des matériaux la principale protection.

Revêtements et doublures

L'isolement du métal de l'environnement corrosif peut empêcher l'IGC même si le matériau de base est sensibilisé. Les revêtements organiques, les revêtements et le revêtement avec un alliage plus résistant à la corrosion sont courants dans les réacteurs chimiques et les réservoirs de stockage.

Contrôle environnemental

La réduction de la concentration des espèces agressives (chlorures, acides, oxydants) dans le fluide de procédé peut considérablement réduire le risque d'IGC. Lorsque des modifications environnementales ne sont pas possibles, le contrôle du pH, l'élimination de l'oxygène et l'utilisation d'inhibiteurs (p. ex., les nitrates pour l'acier doux dans certains environnements) peuvent être envisagés.

Conception et gestion du stress

Comme le stress accélère le CIG et provoque l'IGSC, la conception devrait minimiser les contraintes résiduelles et appliquées. Les traitements thermiques de décompression après formation ou soudage réduisent les contraintes résiduelles. Éviter les encoches pointues, les crevasses et les zones stagnantes où les espèces corrosives peuvent se concentrer réduit encore les risques.

Exemples de défaillances réelles dans le monde

Plusieurs défaillances importantes dans l'industrie ont été liées à la corrosion intergranulaire. Par exemple, la rupture catastrophique d'un tuyau en acier inoxydable dans une centrale nucléaire dans les années 1980 a été attribuée à la sensibilisation dans la zone affectée par la chaleur d'une soudure combinée à de l'eau à haute température contenant de l'oxygène et des chlorures. Dans l'industrie chimique, les échangeurs de chaleur fabriqués à partir de 304 acier inoxydable ont souffert de l'IGC après avoir été exposés à l'acide nitrique pendant les opérations de décapage sans traitement approprié.

Ces cas soulignent l'importance d'une qualification approfondie des matériaux, d'une validation du traitement thermique et d'une inspection régulière, en particulier pour les équipements qui subissent le soudage ou sont exposés à des environnements agressifs à des températures élevées.

Normes et références

Les praticiens devraient consulter les références suivantes pour obtenir des conseils détaillés :

  • ASTM A262 – Pratiques normalisées pour détecter la susceptibilité à l'attaque intergranulaire dans les aciers inoxydables austénitiques. Disponible à ASTM A262.
  • ASTM G28 – Méthodes d'essai normalisées pour détecter la sensibilité à la corrosion intergranulaire dans les alliages de cuivre, de nickel-rich, de chrome-sang. ASTM G28.
  • NACE International – Norme RP0170 -Protection des aciers inoxydables austénitiques contre la sensibilisation (précipitations de carbochrome) pendant la fabrication et la réparation des tuyauteries et des équipements.
  • ISO 3651-1 – Détermination de la résistance à la corrosion intergranulaire des aciers inoxydables. ISO 3651-1.

Conclusion

La corrosion intergranulaire est un mécanisme de défaillance grave qui peut compromettre l'intégrité des composants métalliques dans les environnements de service agressifs. Les causes profondes - sensibilisation, chimie de l'alliage et facteurs environnementaux - sont bien comprises et il existe une série de méthodes de détection pour identifier les matériaux sensibles avant qu'une défaillance catastrophique ne se produise. La prévention efficace repose sur le choix de la qualité de l'alliage (faible carbone ou stabilisé), le contrôle des processus de traitement et de soudage thermiques, la gestion de l'environnement de service et le maintien de protocoles d'inspection rigoureux.