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الرحيم الرحمان الله بسمو” شديد بأس فيه الحديد وأنزلنا

للناس ’’منافع

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SCIENCES DES MATERIAUXSDM

Dr Abderrahim BENMOUSSAT

Enseignant – chercheur

Sciences des matériaux et environnement

UNIVERSITE ABOU BEKR BELKAID -TLEMCEN

Faculté des sciences de l’IngénieurDépartement génie mécanique

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Plan de la présentation• Importance des matériaux à travers

l’histoire• Classification des matériaux• Matériaux et environnement• Choix des matériaux• Structure et organisation des matériaux• Changements d’état des matériaux• Comportement des matériaux en

dégradation

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Sont l’étude des relations entre la structure (organisation atomique et moléculaire) et les propriétés des différents matériaux dans leur état physique (solide,liquide ou gaz) et qui définissent leur comportement.

Elle est complétée par le génie des matériaux (procédés de fabrication et mise en forme)

LES SCIENCES DES MATERIAUX

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Un matériau est une forme transformée solide de la matière naturelle pour la conception d’objets (outils et armes) par la maîtrise des techniques d’élaboration et de mise en œuvre définie par trois fonctions:

Dimensionnement Forme géométriqueAspect économique relatif à son prix.

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Les matériaux

ont de tout temps défini: niveau de développement civilisation mutations technologiques

dans toutes les spécialités dans l’activité des populations humaines.

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Au cours de l’histoire, l’utilisation directe de matières premières naturelles (pierre, bois ,bronze et fer) étaient leurs outils et armes.

Cette utilisation s’est progressivement étendue à des matériaux de plus en plus perfectionnés , comme le choix des aciers pour la construction mécanique ou le choix du silicium pour la fabrication des circuits intégrés.

La fabrication de nouveaux armements a partir de matériaux nouveaux été à l’origine de l’innovation technique dans beaucoup de domaines.

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Ère de la civilisation humaine est définie en tout temps en termes de matériaux

desquels les armes et les outils sont fabriqués.• âge de pierre• âge de bronze• âge de cuivre • âge de fer • Ère du silicium dans la deuxième moitié du

vingtième siècle par la technologie du silicium en électronique les polymères et matériaux légers et économiques, devrait marquée cette période comme l’ère du silicium.

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Les matériaux sont classés suivant différents critères tels que leur:

Composition

Structures atomiques et nature des

liaisons

Propriétés

Classification des matériaux

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Classification suivant la nature des liaisons et sur les structures atomiques

Matériaux composites

Les trois classes de matériaux: métaux, céramiques et polymères

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• Métaux et Alliages (liaisons métalliques

• Polymères organiques (liaisons covalentes et liaisons secondaires)

• Céramiques (liaisons ioniques et liaisons covalentes

Classification suivant la nature des liaisons et sur les structures atomiques

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Tableau périodique des éléments

A gauche les métaux (70) a droite les non métaux, au milieu les semi conducteur (Si, B et C)

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• bon conducteurs de la chaleur et de l’électricité

• opaques à la lumière visible qu’ils réfléchissent

• Durs, rigides et déformables plastiquement

• Température de fusion élevée

Métaux et alliages

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• les aciers par leur grande diversité et par leur prix relativement faible, restent, et resteront longtemps, le matériau de base des industries mécaniques

• L’aluminium et les alliages légers pour l'industrie aéronautique

• le nickel et les alliages résistant à haute température pour les moteurs

Métaux et alliages

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• Matériaux composés de molécules formant de longues chaînes d’atomes de carbones sur lesquels sont fixés des éléments comme l’hydrogène ou le chlore, ou des groupements d’atomes comme le radical méthyle ( – CH3)

• Isolants électriques et thermiques• Mise en forme facile• Ne supportent pas les températures

> 200°C

Polymères organiques

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• Matériaux inorganiques, SIO2 (silice), Al2O3(Alumine)... résultent de la combinaison d’éléments métalliques (Mg,Al, Ti..) avec des éléments non métalliques (O)

• Résistances mécaniques et thermiques élevés

• Matériaux fragiles comme le verre• Réfractaires• Abrasifs

Céramiques

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Caractérise la réaction du matériau à une sollicitation extérieure (3types)

• Propriétés mécaniques ( reflètent le comportement des matériaux soumis à des systèmes de forces

• Propriétés physiques mesurent le comportement des matériaux soumis à l’action de la température, des champs électriques ou magnétiques, ou de la lumière

• Propriétés chimiques, caractérisent le comportement des matériaux soumis à un environnement chimique plus ou moins agressif.

Propriétés des matériaux

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• Ressources d’un élément sont la quantité de cet élément disponible dans l’écorce terrestre, les océans et l’atmosphère

• Gisement est la zone où la concentration en minerai est importante

• Recyclage des matériaux facile pour les métaux difficile pour les polymères organiques

Matériaux et Environnement

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Cycle des matériaux (d’après Materials and man’s Needs, 1974 et A. Kelly, 1994

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Coûts des Matériaux

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21 CHOIX DES MATERIAUX

Fonction

Géométrie

Procédé

Matériau

Caractéristiques: physique, mécaniques,

Thermiques, électriques,

Environnementales

économiques

Le choix du matériau est déterminé par sa fonction

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Procédés d’élaboration

• Pyrométallurgie (voie sèche)

• Hydrométallurgie (voie humide)

Exemple du Zinc

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Pyrométallurgie ou voie sèche

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Procédé par Extraction humide du zinc

Grillage 

ZnS + 3/2 O2 → ZnO + SO2 + Vapeur

Avec une chaleur ∆H=-445Kj/mole 800-1000°C

Lixiviation neutre et acide  

ZnO + H2SO4 → ZnSO4 + H2O

Purification froid et à chaud

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• Repulpage neutre et acide

• Électrolyse

• Refonte

• Mise en Lingot

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C‘est le mode de répartition des atomes ou des molécules dans le matériau solide et les relations géométriques existant entre les positions de tous les atomes

Deux types d’arrangements ont été observés:Matériaux cristallins (arrangement régulier, ordre à grande distance)Matériaux amorphes ou non cristallins (arrangement non régulier, ordre à courte distance)

Structure et organisation des matériaux

(Architecture atomique)

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Structure Cubique Cristalline, a)empilement de cube dans un cristal, b) structure cubique simple formés de huit atomes aux sommets

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Structure Cubique du Cristal NaCl et de son réseau

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Les quatorze réseaux spatiaux de Bravais (p –primitif, C- centré, F faces centrées répartis en sept systèmes cristallins

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Les quatorze réseaux spatiaux de Bravais (p –primitif, C- centré, F faces centrées répartis en sept systèmes critallins

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Structure tétraédrique amorphe SIO2

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Transformations de phases des matériaux

Les matériaux sont rarement utilisés à l’état purs mais à l’état de mélanges (alliages) par addition d’autres éléments. Les aciers et les fontes sont des alliages Fer – carbone, le silicium en électronique n’acquière de propriétés performantes que par l’introduction de petites quantités d’un élément dopant étranger, sinon il se comporte comme un matériau isolant.

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• Dans les mélanges, les atomes ou molécules de nature différentes peuvent être solubles en toute proportion (Cu – Ni) ou solubles partiellement (Fe –Fe3C).

• Les diagrammes de phases définissent les états d’équilibre entre les phases (loi de Gibbs) et permet d’analyser la formation des microstructures (Austénite, ferrite... Pour le fer et le carbone)

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Diagramme d’équilibre de phases d’une substance pure montrant les domaines de stabilité du solide cristallin, du liquide et de la vapeur. T

–point triple C- point critique

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Variation à pression constante de l’enthalpie libre des trois phases d’une substance pure A en fonction de la température . Le point A

correspond au point de fusion et B au point d’ébullition

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Diagramme d’équilibre de phases du système binaire complètement miscible. La courbe de refroidissement ne montre pas de palier (d’après

Eisenstadt 1971)

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Diagramme d’équilibre de phases du système Argent – cuivre avec système eutectique et les courbes de l’analyse thermique

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Diagramme d’équilibre métastable Fer – cémentite Fe3C utilisé pour les aciers et les fontes, présentant des domaines péritectique, eutectique et

eutectoide.

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• Mécanique des matériaux étudie le comportement des matériaux sous sollicitations mécaniques (déformation,élasticité, plasticité, rupture...)

• Physique des matériaux étudie le comportement des matériaux sous sollicitations physiques (température, rayonnement, champ...)

• Chimie des matériaux étudie le comportement des matériaux sous sollicitations chimiques (corrosion, interactions chimiques

Comportement des matériaux

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COMPORTEMENT DES MATERIAUX

Il est très important de faire un bilan de santé du matériau

Depuis sa naissance, jusqu’à son extinction et même au delà

Matériau

Céramiques

Verres

Métaux

Polymères

Élastomères

Composites

Aciers

Alliages Cu

Alliages Al

Alliages Ti

Alliages Ni

Alliages Zn

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

5005-0

5005-H4

5005-H6

5083-H2

5083-H4

5154-0

5154-H2

Densité

Module

Résistance

Ténacité

Conductivité Th.

Dilatation Thermique

Résistivité

Coût

Corrosion

Oxydation

Univers Famille Classe Sous-Classe Membre Caractéristiques

Classification des matériaux et leur attributs (> 80 000 matériaux)

Des Matériaux de JP BAILON

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Défaillances mécaniques

Défaillances par détérioration de surfaces: fatigue, usure

Défaillances mécaniques par déformation plastique

Défaillances mécaniques par rupture ductiles, fragiles ou de fatigue

Défaillances par corrosion

Ruptures des pièces plastiques et matériaux composites

Vieillissement des polymères

…

Mécanique des matériaux

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OBJECTIFS

Connaître les différents modes de dégradation des ouvrages de transport des hydrocarbures

Maîtriser les facteurs influant la dégradation des ouvrages de transport des hydrocarbures

Maîtriser les effets de la corrosion sur les ouvrages de transport des hydrocarbures

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50Comportement à la corrosion

Le comportement à la corrosion d'un matériau en service dépend d'une multitude de facteurs:

• composition chimique et microstructure du métal,

• composition chimique de l'environnement,

• paramètres physiques (température, convection, irradiation, etc.),

• sollicitations mécaniques (contraintes, chocs, frottements).

La résistance à la corrosion n'est donc pas une propriété intrinsèque du métal, mais plutôt une propriété de l'interface métal/milieu. La corrosion dépend donc d'un système extrêmement complexe, dont les effets se manifestent, en pratique, sous une multitude d'aspects, parfois inattendus.

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Corrosion

Corrosion, du latin corrodere, signifie ronger, attaquer. On estime que la corrosion détruit un quart de la production annuelle mondiale d’acier, ce qui représente environ 150 millions de tonnes par an ou encore 5 tonnes par seconde. Or, la corrosion ne se limite pas à l’acier, mais affecte tous les métaux ainsi que les polymères et céramiques et touche tous les domaines de l’économie, du circuit intégré au pont en béton armé. Elle résulte d’interactions chimiques et/ou physiques entre le matériau et son environnement

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Corrosion en grande surface

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Extension des pics de Corrosion

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Décollement du revêtement

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D’après la norme DIN 50900/1, la corrosion est la réaction que subit une pièce métallique au contact de son environnement à savoir une modification mesurable de cette pièce pouvant entraîner une détérioration due à la corrosion. Cette réaction peut être électrochimique, chimique ou physico-chimique.

Définition Norme DIN 50900/1

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coût de la corrosion

On évalue à 4% environ du produit national brut. Ces chiffres prennent en compte :

  Les pertes directes; remplacements des matériaux corrodés et des équipements dégradés par la corrosion

Les pertes indirectes ; réparations, pertes de production ;

Les mesures de protection ; utilisation de matériaux plus chers résistant à la corrosion, de revêtements et de protection cathodique ;

Les mesures de prévention ; surdimensionnement des structures porteuses, inspections, entretien.

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Dégradation des matériaux• Transformation de l’acier en rouille par corrosion

• Fissuration d’un laiton en présence d’ammoniaque,

• Oxydation d’un contact électrique en cuivre,

• Fragilisation par l’hydrogène d’un acier à haute résistance,

• Corrosion à chaud d’un superalliage dans une turbine à gaz,

• Gonflement du polyéthylène en contact avec un solvant,

• Dégradation du PVC par le rayonnement ultraviolet,

• Attaque d’un tuyau en nylon par un acide oxydant,

• Attaque des briques réfractaires par les laitiers,

• Attaque d’un verre minéral par une solution alcaline.

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Modes de la Corrosion Corrosion électrochimique Corrosion sous contraintes

mécaniques

Corrosion galvanique

Corrosion par les sols

Corrosion bactériologique

Corrosion par courant vagabonds

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59Classification des formes de la corrosion

Huit types de corrosion souvent rencontrées en pratique

1) La corrosion uniforme (uniform corrosion) est une perte de matière plus ou moins régulière sur toute la surface. On trouve cette attaque notamment sur les métaux exposés aux milieux acides.

2) La corrosion galvanique (galvanic corrosion), appelée aussi corrosion bimétallique, est due à la formation d'une pile électrochimique entre deux métaux. La dégradation du métal le moins résistant s'intensifie.

Définitions

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3) La corrosion caverneuse (crevice corrosion) est due à une différence d'accessibilité de l'oxygène entre deux parties d'une structure, créant ainsi une pile électrochimique. On observe une attaque sélective du métal dans les fentes et autres endroits peu accessibles à l'oxygène.

5) La corrosion intergranulaire (intergranular corrosion) est une attaque sélective aux joints de grains. Souvent, il s'agit de phases qui ont précipité lors d'un traitement thermique

4) La corrosion par piqûres (pitting corrosion) est produite par certains anions, notamment le chlorure, sur les métaux protégés par un film d'oxyde mince. Elle induit typiquement des cavités de quelques dizaines de micromètres de diamètre.

6) La corrosion sélective (sélective leaching) est l'oxydation d'un composant de l'alliage, conduisant à la formation d'une structure métallique poreuse

7) La corrosion érosion (érosion corrosion) est due à l'action conjointe d'une réaction électrochimique et d'un enlèvement mécanique de matière. Elle a souvent lieu sur des métaux exposés à l'écoulement rapide d'un fluide.

8) La corrosion sous contrainte (stress corrosion cracking) est une fissuration du métal, qui résulte de l'action commune d'une contrainte mécanique et d'une réaction électrochimique.

Classification des formes de la corrosion

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61Classification des formes de la corrosion

Corrosion uniforme Corrosion localisée 1) Composition du milieu :

•corrosion par piqûres;

•corrosion caverneuse;

•corrosion filiforme;

•corrosion bactériologique;

2) Composition du métal :

•corrosion galvanique;

•corrosion intergranulaire

3) Endommagement par des forces mécaniques :

•érosion et cavitation;

•frottement;

•fatigue;

4) Rupture induite par l’environnement :

•corrosion sous contrainte;

•fragilisation par l’hydrogène.

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Incertitudes

Matériau

Géométrie

Chargements

Modèles

Pose d’un pipe sous terre

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Actions sur le système

Temps

Population (%)

Masse

ENVIRONNEMENT STRUCTURE TUBULAIRE

Trafics

Chocs & Vibrations

Interaction Sol-Pipe

Trafics

Chocs & Vibrations

Interaction Sol-Pipe

Géométrie

Propriétés du matériau

Contraintes Résiduelles

Géométrie

Propriétés du matériau

Contraintes Résiduelles

Changement des Propriétés

Corrosion

Fatigue

Changement des Propriétés

Corrosion

Fatigue

Durée de VieDurée de Vie

DEGRADATION DU PIPE

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Exemple de corrosion

Corrosion caverneuse d’un joint due à la formation d’une pile d’aération

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Exemple

CExemple de corrosion due à la formation de piles d’aération

corrosion

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Exemple

Changement local du pH dans une goutte d’eau placée sur une surface en acier

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Exemple

Corrosion par piqûre:

• piqûre profonde,

• piqûre occluse,

• piqûre hémisphérique.

La dimension varie de quelques micromètres à quelques millimètres.

Réactions anodiques et cathodiques

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Le Bureau de la sécurité des transports du Canada (BST) a enquêté sur cet accident dans le seul but de promouvoir la sécurité des transports. Le Bureau n'est pas habilité

à attribuer ni à déterminer les responsabilités civiles ou pénales.

Rapport d'enquête sur accident de pipeline

Rupture d'un oléoducInterprovincial Pipe Line Inc.

Canalisation 3, poteau milliaireprès de Glenavon (Saskatchewan)

27 février 1996

Rapport numéro P96H0008

Rapport d’enquêtes sur accident de pipeline

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La rupture a été causée par une corrosion étroite sur la paroi extérieure dans l'axe de la conduite, adjacente et parallèle à un bourrelet longitudinal de soudure, dont la propagation a été assistée par la fissuration par corrosion sous tension en milieu à pH faible, et qui n'a pas été décelée par le programme permanent de contrôle de l'intégrité de la compagnie, appelé Susceptibility Investigation Action Plan (plan d'action pour évaluer la sensibilité de la canalisation 3).

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Fissuration sous contrainte

Dans certains milieux, les métaux se fissurent et se rompent à des contraintes nettement inférieures à leur résistance maximale à la traction, voire à leur limite élastique. Ce comportement porte le nom de fissuration sous contrainte induite par l'environnement (environment induced cracking, EIC) ou fissuration sous contrainte sensible au milieu (environment sensitive cracking, ESC). La résistance d'un matériau en service ne dépend donc pas seulement de ses propriétés mécaniques intrinsèques. Elle dépend aussi des conditions environnantes.

Métaux, polymères et céramiques, tous les types de matériaux peuvent subir une fissuration sous contrainte sensible au milieu. Cependant, les conditions et les mécanismes physico-chimiques responsables de l'altération diffèrent. Le comportement des métaux revêt une importance particulière en raison de leur présence massive dans les structures porteuses, notamment dans les industries chimiques, pétrolières, nucléaires et aéronautiques, ou dans le génie civil. Dans tous ces domaines, une rupture inattendue peut provoquer des accidents aux conséquences catastrophiques.

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71 Définitions

La fissuration sous contrainte des métaux induite par l'environnement inclut les phénomènes suivants:

• la corrosion sous contrainte,

• la fragilisation par l'hydrogène,

• la fatigue-corrosion,

• la fragilisation par les métaux liquides.

La corrosion sous contrainte (stress corrosion cracking, SCC), appelée aussi corrosion fissurante sous contrainte, résulte d'une action conjointe entre la corrosion et une contrainte de traction statique, que cette dernière soit appliquée ou résiduelle. Ce type d'altération n'a lieu que lorsque plusieurs conditions, relatives tant aux propriétés du métal qu'à la contrainte mécanique ou au milieu, sont réunies.

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72 Définitions

La fragilisation par hydrogène (hydrogen embrittlement, HE) désigne une fissuration provoquée par une contrainte de traction et la présence d'hydrogène dissous dans le métal. Parfois, l'hydrogène seul suffit à endommager un métal. Dans certains cas, la corrosion sous contrainte et la fragilisation par l'hydrogène ont lieu simultanément. Il n'existe alors pas de limite précise qui permette de distinguer les deux phénomènes.

La fatigue-corrosion (corrosion fatigue, CF) apparaît sous l'action conjuguée d'un 'milieu corrosif et de contraintes cycliques. Elle se manifeste par un abaissement de la résistance à la fatigue du métal. Les structures porteuses sont souvent soumises à des contraintes cycliques, notamment à des vibrations de basses fréquences. Dans certaines industries, l'ampleur des dégâts dus à la corrosion-fatigue dépasse ainsi celle des dommages provoqués par la corrosion sous contrainte.

La fragilisation par les métaux liquides (liquid métal embrittlement) se produit lorsqu'un métal solide entre en contact avec un métal liquide ou du moins dont la température avoisine le point de fusion. Ce processus ne constitue qu'un problème d'importance limitée. Il peut avoir lieu notamment lors du brasage, ou dans les circuits de refroidissement utilisant des métaux liquides.

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73 Caractéristiques des ruptures

Les ruptures dues à la fissuration sous contrainte sensible au milieu ont deux caractéristiques communes:

• elles sont en général de type fragile,

• elles ne se manifestent qu'après une certaine durée.

La présence d'une rupture fragile (absence de déformation plastique) dans un métal normalement ductile permet souvent d'identifier une fissuration sous contrainte induite par l'environnement. Par ailleurs, ce type de fissuration ne se manifeste qu'après une certaine durée. Cela rend son étude en laboratoire difficile, car il faut accélérer les phénomènes, puis extrapoler les résultats aux conditions réelles.

Fissures Intergranulaires et Transgranilaires

Selon les conditions, la fissuration sous contrainte sensible au milieu forme des fissures intergranulaires, qui suivent les joints de grains, ou des fissures transgranulaires, souvent ramifiées, qui traversent les grains.

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74 Fissures Trangranulaires et Intergranulaires

Fissuration sous contrainte: fissures intergranulaires dans un acier inoxydable austénitique (DIN 1.4571) exposé à un milieu alcalin à 80°C 0

fissures transgranulaires dans un acier inoxydable austénitique (DIN 1.4541) exposé à un milieu chlorure à 100°C

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Rupture Intergranulaire d’un acier au carbone en milieu alcalin, à 70°C

Les deux types de fissures provoquent des ruptures transgranulaires ou des ruptures intergranulaires. Parfois on observe également des ruptures mixtes, comportant des cassures qui suivent les joints de grains et d'autres qui traversent les grains.

Rupture Transgranulaire d’un acier inoxydable austénitique (DIN 1.4439) en milieu chlorure, à 100°C

Fissures Trangranulaires et Intergranulaires

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76 Fissures Trangranulaires et Intergranulaires

Rupture intergranulaire due à la corrosion sous contrainte d'un alliage Al-4% Cu, soumis à un essai de traction à faible vitesse de déformation en milieu chlorure.

Déviation de la fissure transgranulaire dans l’Aluminium Al2024T351

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77 ESSAIS DE CORROSION SOUS CONTRAINTE

Les essais de corrosion sous contrainte servent à l'étude de la résistance d'un matériau à la corrosion sous contrainte et à la fragilisation par l'hydrogène. Certains types d'essais nécessitent l'utilisation d'une machine de traction, d'autres se contentent de dispositifs très simples. Souvent ils ne fournissent que des informations qualitatives.

Selon le type d'éprouvette utilisé, on différencie trois groupes d'essais de corrosion sous contrainte:

• les essais statiques avec éprouvettes non fissurées,

• les essais statiques avec éprouvettes préfissurées,

• les essais de traction à faible vitesse de déformation

Selon la sollicitation de l'éprouvette, on distingue les essais à charge imposée ou à déformation imposée. Dans les essais de corrosion sous contrainte, la valeur du paramètre mécanique imposé (charge ou déformation) est constante ou varie à vitesse constante. Par contre, dans les essais de corrosion-fatigue, elle varie de façon périodique.

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78 Essais Statiques avec éprouvettes non fissurées

Les essais statiques réalisés avec des éprouvettes non fissurées permettent de caractériser, pour un milieu donné, la sensibilité d'un métal à la corrosion sous contrainte et à la fragilisation par l'hydrogène. Généralement, on charge les éprouvettes puis on les expose, au milieu corrosif. On mesure alors la durée avant défaillance tf.. Les éprouvettes comportent parfois une entaille — à ne pas

confondre avec l'amorce d'une fissure — qui permet de fixer le lieu de défaillance.

Dans les essais à déformation constante, la durée avant défaillance correspond à l'apparition des premières fissures. Ce type d'expérience indique donc le temps d'amorçage des fissures. Les essais à charge constante, en revanche, indiquent la durée avant rupture, qui correspond à la somme des temps d'amorçage et de propagation.

Dans un essai à déformation constante, la contrainte réelle diminue lorsqu'une fissure apparaît et se propage. Souvent elle devient tellement faible que la fissure s'arrête avant la rupture de l'échantillon.

Dans un essai à charge constante, au contraire, la contrainte réelle augmente avec la progression des fissures car la section réelle de l'éprouvette diminue. Rapidement l'éprouvette se rompt.

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79 Essais Statiques avec éprouvettes non fissurées

Évolution de la contrainte réelle et de la contrainte nominale en fonction du temps, dans un de corrosion sous contrainte lorsqu’on impose une déformation constante ou à charge constante.

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80 Éprouvettes en flexion

Éprouvettes pour essais de corrosion sous contraintes en flexion

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81 Éprouvettes en U

sont destinées à recevoir une déformation plastique con stante. Leur emploi se limite donc aux matériaux ductiles. La déformation du métal est très élevée, ce qui permet d'obtenir rapidement des résultats qualitatifs.

Éprouvettes cintrés en U

Éprouvettes en forme de U

sont fabriquées à partir de tôles épaisses, de barres ou de tubes. Elles servent à mesurer tant la durée d'amorçage des fissures que la durée avant la rupture, en fonction du paramètre imposé.

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82 Éprouvettes destinés aux essais de traction

Les éprouvettes destinées aux essais en traction uniaxiale permettent de mieux maîtriser les conditions de mise en charge. Elles peuvent avoir une forme circulaire (barres, fils) ou rectangulaire. On les soumet de préférence à une charge constante, au moyen d'un ressort ou d'un levier auquel on fixe un poids. On peut ainsi déterminer la durée avant rupture, en fonction de la charge appliquée. Une machine de traction permet également de réaliser une telle expérience, mais elle requiert un investissement plus important.

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83 Théorie de l’élasticité linéaire

Modes de rupture I, II et III

I

II III

La théorie de l'élasticité linéaire fournit une relation entre la force appliquée et la contrainte locale à la pointe d'une fissure, dans un matériau fragile. Il existe trois modes de rupture.

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84 Théorie de l’élasticité linéaire

Système de coordonnées ayant son origine à la pointe de la fissure

Pour une éprouvette chargée en mode I, les trois composantes de la contrainte locale au voisinage de la pointe de la fissure varient en fonction de la distance radiale r et de l'angle pris par rapport au plan de la fissure

La composante s’écrit:

y = Kiƒ(r,) Ki= y (a)1/2Kiƒ(a/W)

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Distribution of stresses in vicinity of a crack tip

'Effective' crack length taken to be initial length plus the plastic zone

radius

Théorie de l’élasticité linéaire: Contrainte en tête de fissure

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)2

3sin2

sin1(2

cos2

r

Ky

)2

3sin2

sin1(2

cos2

r

Kx

23cos

2sin

2cos

2

rKxy

Théorie de l’élasticité linéaire: Calcul des contraintes

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87 Forme des éprouvettes

Des normes décrivent les différentes éprouvettes préfissurées destinées aux essais de corrosion sous contrainte à charge constante ou à déformation constante. Deux types d’éprouvettes sont souvent employées:

Éprouvette compacte pour sollicitations en traction (CTS)

Éprouvette Type double poutre pour sollicitation en flexion en

porte à faux (DCB)

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88Deux approches pour étudier corrosion des métaux

Approche déterministe

La mécanique de la rupture est l’approche commune, la plus utilisée. Dans ce cas, les lois de comportement des fissures en fatigue, en fatigue corrosion et la fissuration sous corrosion et sous contraintes sont très recherchées. Dans cet approche le recours à l’expérimentation est très fort. Plusieurs résultats émanant des différents travaux peuvent être trouvés dans la littérature, mais beaucoup de variables influant ces phénomènes sont omises, suites aux difficultés rencontrées pendant l’expérimentation. Le recours aux équipements de plus en plus sophistiqués est possible mais il reste très coûteux.

Approche probabiliste

Depuis une quinzaine d’années, l’approche fiabiliste est de plus en plus utilisée, et elle touche plusieurs domaines. Dans le cas des tubes, elle s’applique dans l’analyse de la fiabilité dans la conception et la maintenance. Elle intègre d’une part, la connaissance du comportement du matériau et le dimensionnement en prenant compte l’évaluation des actions qui agissent sur la structure tubulaire. D’autre part, dans le domaine de la mécanique de la rupture, elle donne des informations complémentaires et indispensables pour le concepteur. La présence d’une fissure, ses dimensions, sa forme et sa densité ne peuvent être représentées d’une façon réelle que par une approche fiabiliste.

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CONCLUSIONVu l’importance des matériaux qui

définissent le niveau de civilisation et de développement des populations à travers tout les ages,il est nécessaire aujourd’hui d’entreprendre des études sur la connaissance des procédés de fabrication des matériaux et de leur comportement sous l’effet des sollicitations diverses mécaniques physiques et chimiques.

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الإصغاء حسن على شكرا

عليكم السلام

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91Bibliographie

1. C. Bathias, J.-P. Bailon, (1997) “La Fatigue des Matériaux et des Structures”, Editors Bathias and Bailon, 2nd Edition, Editions HERMES, Paris.

2. J.C. Scully, (1966), The fundamentals of corrosion, 1st edition. Pergamon Press Ltd.

3. M. Fontana, corrosion Engineering, 3rd edition, Mc Graw Hill International, New York, 1987.

4. F.P. Ford, (1982), Stress corrosion cracking in Corrosion processes, Applied Science 21Publishers, R.N. Parkins, 271-309.

5. S. Suresh, (1998), Fatigue crack growth in ductile solids, in Fatigue of Materials. 2nd Edition, Cambridge, Cambridge University Press.

6. ISO 13623, (2000), Petroleum and natural gas industries-pipeline transportation systems. ISO 13623-2000(E).

7. R.N. Parkins, and R.R. Fesler, (1986), Line pipe stress corrosion cracking mechanisms and remedies, Corrosion, paper N° 320.

8. H.P. Lieurade, (2002) Critical review of the fatigue corrosion tests. La Revue de Métallurgie-Cahier d’informations techniques / Sciences et Génie des Matériaux;5: 411-432.

9. T. Magnin, (2002) Mécanismes de fatigue-corrosion des alliages métalliques . La Revue de Métallurgie-Cahier d’informations techniques / Sciences et Génie des Matériaux; 5:423-432.