Essais de Fatigue-corrosion

7/25/2019 Essais de Fatigue-corrosion

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Essais de fatigue-corrosion

par Henri-Paul LIEURADEIngnieur du Centre dtudes suprieures des techniques industrielles (CESTI)Ingnieur de lInstitut suprieur des matriaux et de la construction mcanique (ISMCM)Docteur s SciencesChef du Dpartement matriaux du Centre Technique des Industries Mcaniques (CETIM)

a fatigue-corrosion peut tre dfinie comme laction combine dun environ-nement agressif et dune contrainte cyclique conduisant une rupture pr-

mature du mtal par fissuration. Dans cette dfinition, il convient dinsister surle terme combin puisque de nombreux exprimentateurs ont montr que nila contrainte cyclique lair, ni laction due lenvironnement ne produisaientsparment le mme dommage rsultant de laction conjointe. En dautres ter-mes, une prouvette prcorrode ne prsentera pas forcment une rduction

1. Dfinitions.................................................................................................. M 135 - 4

2. Fatigue sous corrosion ........................................................................... 4

2.1 Aspects phnomnologiques..................................................................... 42.1.1 Environnement aqueux...................................................................... 42.1.2 Environnement gazeux....................................................................... 8

2.2 Mcanismes damorage............................................................................ 92.2.1 Mcanismes dadsorption.................................................................. 102.2.2 Mcanismes de dissolution lectrochimique................................... 102.2.3 Mcanismes de fragilisation par lhydrogne.................................. 11

2.3 Moyens de prvention ................................................................................ 112.3.1 Action sur le matriau........................................................................ 112.3.2 Action sur le milieu corrosif............................................................... 122.3.3 Action sur la surface des pices........................................................ 13

2.4 Mthodes exprimentales .......................................................................... 132.4.1 Gnralits .......................................................................................... 132.4.2 Machines dessai................................................................................. 142.4.3 Mesures associes.............................................................................. 14

2.4.4 Simulation dun environnement marin ............................................ 142.4.5 Cas des essais damorage................................................................ 162.4.6 Cas des essais sous amplitude de dformation impose............... 182.4.7 Analyse statistique des rsultats....................................................... 19

3. Fissuration par fatigue sous corrosion .............................................. 193.1 Aspect phnomnologique......................................................................... 20

3.1.1 Environnement aqueux...................................................................... 203.1.2 Environnement gazeux....................................................................... 24

3.2 Mcanismes de fissuration en fatigue-corrosion...................................... 243.2.1 Mcanismes de dissolution anodique .............................................. 243.2.2 Mcanismes de fragilisation par lhydrogne.................................. 25

3.3 Mthodes dessai de fissuration par fatigue sous corrosion................... 253.3.1 Dispositifs exprimentaux................................................................. 263.3.2 Procdure dessai ............................................................................... 28

4. Conclusion ................................................................................................. 29Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. M 135


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ESSAIS DE FATIGUE-CORROSION __________________________________________________________________________________________________________

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apprciable de dure de vie en fatigue, et une prouvette fatigue tout dabord lair ne conduira pas obligatoirement une vitesse de corrosion du mtal accrue.

Pour illustrer cette ide, la figure A montre lvolution de la dure de viedprouvettes en acier de construction mtallique du type E 36, en fonction de lacontrainte cyclique applique (courbe de Whler). Leffet du milieu corrosif (eaude mer synthtique) et de la frquence du cycle de charge conduit une chutedes caractristiques de fatigue dautant plus importante que la frquence descycles est faible. Les courbes en tiret ont t traces partir des courbes lairen faisant lhypothse que leffet de la corrosion nest d qu une rduction desection des prouvettes par corrosion gnralise. La comparaison de ces cour-bes avec les courbes obtenues lors des essais sous corrosion montre que leffetdu milieu corrosif est plus important que ne le prvoit cette hypothse.

Par ailleurs, linfluence des caractristiques mcaniques en traction des mat-

riaux, importante sur les caractristiques de fatigue lair, ne parat pas signifi-cative sur les caractristiques de fatigue-corrosion. La figure B compare lecomportement en fatigue de deux aciers au carbone lair et dans leau de mer 80 C.

lair, les rsultats montrent une asymptote en contrainte, correspondant auniveau de la limite dendurance, dautant plus leve que la rsistance la trac-tion est plus importante. Par contre sous corrosion, dune part, on nobserve plusdasymptote (la notion de limite dendurance a disparu), dautre part, les rsul-tats sont comparables pour les deux matriaux.

Une consquence de ce comportement gnral pour tous les matriauxmtalliques est le remplacement en fatigue-corrosion du terme limite dendu-rance D par celui de rsistance la fatigue-corrosion FC N cycles .

Figure A Comparaison des rsultats de fatigue-corrosion et des courbes de rsistance dduitesen tenant compte de la seule perte en masse due la corrosion [2]

E 36 Z acier de construction soudable

Flexion rotative

Air 3000 tr/min

255 MPa

Hypothse "perte en masse"3 000 tr/min

Hypothse "perte en masse"30 tr/min

Eau de mer synthtique (A3)pH 8 3 000 tr/min

Eau de mer synthtique (A3)pH 8 30 tr/min

a amplitude de la contrainte

D

limite d'endurance (amplitude)

Nr nombre de cycles rupture

105 106 107 108 1091040

100

200

300

Nr(cycles)

a(

MPa)

D


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Les deux exemples prcdents indiquent, dune part, que leffet dun environ-nement corrosif est trs important sur le comportement la fatigue des mat-riaux mtalliques (une rduction des contraintes admissibles par un facteur 5

peut tre possible), dautre part, que les paramtres mcaniques, gomtriqueset mtallurgiques, considrs gnralement pour rendre compte du comporte-ment en fatigue lair, ne sont plus suffisants ; il convient de faire appel desparamtres physico-chimiques et lectrochimiques.

Le mcanisme de rupture par fatigue est gnralement divisen trois stades : lamorage dune fissure de fatiguepartir dun dfaut gomtrique ou m-

tallurgique conduisant une concentration locale de dformation ou decontrainte ;

la propagationde cette fissure dans lprouvette ou la pice ; la rupturede celle-ci.Leffet des paramtres physico-chimiques ou lectrochimiques est sensible-

ment diffrent dans les deux premiers stades quil conviendra de considrersparment.

Cet article a pour but de prsenter les mthodes exprimentalesrecommandes pour prciser linfluence dun milieu corrosif sur des prouvettesde matriaux mtalliques.

Pour mener bien ce travail, nous dfinirons tout dabord quelques termesindispensables avant de considrer les phases damorage et de fissuration parfatigue-corrosion. Dans chaque cas, nous prsenterons linfluence des princi-paux paramtres sur le comportement des matriaux soumis un environ-nement soit aqueux, soit gazeux. Nous rendrons compte succinctement desprincipaux mcanismes mis en jeu.

Les moyens de prvention contre la fatigue-corrosion seront mentionns.Lensemble de ces notions indispensables permettra de proposer les mthodesdessais adaptes. La description de ces mthodes sappuiera largement surlarticle des Techniques de lIngnieur Essais de fatigue [63]

Figure B Courbes de fatigue daciers basse et haute rsistance dans lair et dans leau [3]

Rm rsistance la tractionR rapport de contrainte (=min/max)

D

limite d'endurance (amplitude)

104 105 106 107 108 1091030

100

200

300

400

600

500

Nr(cycles)

a(MPa)

D

D

Air (fatigue)

Eau are 80C(fatigue-corrosion)

Eau are 80C(fatigue-corrosion)

R= -1

Traction alterne 30-60 Hz

acier 0,8 % C, Rm = 1100 MPa acier 0,02 % C, Rm = 295 MPa

prouvettes non rompues

Air (fatigue)


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1. Dfinitions

Les essais de fatigue-corrosion font appel des termes de fatigue,prciss en [63] et des termes de corrosion prciss en [64]. Certai-nes dfinitions cependant sont typiques des essais de fatigue-corro-sion (norme ASTM E 742, cf. [Doc. M 135]).

Fatigue-corrosion: effet combinde la fatigue et dun environne-ment agressif agissant simultanment, qui conduit une dgrada-tion du comportement en fatigue.

Desaration : processus dlimination des gaz dun environne-ment liquide avant et pendant lessai de fatigue.

Environnement: ensemble dlments chimiques et dnergie quientoure lchantillon dessai.

Cellule de corrosion: rcipient contenant la partie utile de lprou-vette dessai.

Composition du milieu corrosif: concentration des produits chi-miques dans le milieu liquide au cours dessais de fatigue- corro-sion.

Teneur en hydrogne ou en oxygne: concentration de lhydro-gne gazeux ou de loxygne du fluide denvironnement.

Contrle de lenvironnement: mesures priodiques ou continuesde la concentration du fluide denvironnement.

Pression ou temprature denvironnement: pression ou tempra-ture supporte par la zone utile de lprouvette dessai.

Volume denvironnement : volume total entourant directementlprouvette dessai ainsi que celui qui est contenu dans le rservoirde circulation, sil existe.

Temps de maintien: dure dans le cycle de sollicitation pendantlaquelle la variable dessai contrle (charge, dformation, dplace-ment) reste constante avec le temps.

Vitesse de mise en charge (de dcharge) : vitesse de la partiecroissante (ou dcroissante) du cycle dessai.

Solution neutre: environnement aqueux ayant un pH = 7.

lectrode de rfrence: lectrode (par exemple, lectrode lhydrogne, lectrode au calomel normal ou lectrode au calomelsatur ECS) avec laquelle le potentiel lectrique de lprouvettedessai est repr.

Comme il est dusage dans la profession, les teneurs ou les pour-centages indiqus sont massiques.

2. Fatigue sous corrosion

2.1 Aspects phnomnologiques

2.1.1 Environnement aqueux

Les figures Aet B illustrent deux exemples de leffet primordialdun milieu corrosif tel que leau de mer sur des aciers au carbone. Lafigure1fournit une autre illustration dans le cas dun acier inoxydableaustnitique du type X 3 CrNiMoCu 21-7 (Z 3 CNDU 21-7), utilis gnralement pour des environnements extrmement agressifs [7].

Bien que pour cet acier le comportement en fatigue-corrosion soitsensiblement meilleur que pour les aciers au carbone, les caractris-

Notations et symboles principaux

Symbole Unit Dfinition

MPa contrainte (= maxmin)

a MPa amplitude de contrainte

D MPa limite dendurance (amplitude)

FC MPa rsistance la fatigue-corrosion(amplitude)

D/RmouFC/Rm

rapport dendurance

m MPa contrainte moyenne

R rapport de contrainte R= min/maxK facteur dintensitde contrainte

(K= KmaxKmin)

KIc tnacit

KIscc niveau seuil en corrosion

sous contrainte

N cycles nombre de cycles de contrainteou de dformation

Nr cycles nombre de cycles rupture

da/dN mm/cycle vitesse de fissuration par fatigue(croissance dade la fissure pendant dNcycle)

% dformation

a % amplitude de la dformation

% demi-tendue (ou amplitude)de dformation totale

MPa m

MPa mMPa m

t

2--------

RappelsLes rsultats des essais de fatigue sexpriment gnrale-

ment par une dure de vie Nr(ou nombre de cycles jusqularupture) fonction de lamplitude de contrainte a, de lacontrainte maximale du cycle max, ou de la variation decontrainte = maxmin. Les contraintes sont exprimes enmgapascals (MPa) : 1 MPa = 1 N/mm2= 0,1 hbar 0,102 kgf/mm2.

Les rsultats des essais de fissuration par fatigue sontreprsents sur un diagramme bilogarithmique (da/dN, K) oda est lavance da de la fissure pendant dN cycles (da/dNsexprime en mm/cycle ou en m/cycle) et K= KmaxKminest lavariation correspondante au cours dun cycle de chargement dufacteur dintensitde contrainte (Ksexprime en ).

Pour rendre compte du comportement vis--vis de lamorageen fatigue des matriaux mtalliques, on a recours le plus sou-vent des essais selon Whler qui consistent soumettre uneprouvette de petites dimensions une contrainte cyclique deflexion ou de traction et mesurer le nombre de cycles rup-ture Nr. Les rsultats sont reports sur un diagramme= f(Nr)(diagramme de Whler) comparable ceux des figures Aet B.Bien que lessai soit conduit jusqu la rupture, on considregnralement que pour les grandes dures de vie la part de ladure de vie consacre la propagation est faible vis--vis de ladure de vie pendant la phase damorage, compte tenu de la

faible dimension des prouvettes. Dans ce qui suit, les rsultatsdessais sous fatigue-corrosion sont gnralement compars ceux obtenus lair de fortes frquence fde cycles (> 10 Hz).

MPa m


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iques de fatigue 107 cycles chutent denviron 30 %. Linfluencedun nouveau paramtre, le potentiel impos, apparat avec vi-dence.

Comme cela a t prcis dans lintroduction, les courbes deWhler perdent leur caractre asymptotique pour les grands nom-bres de cycles. De plus, lintervention du milieu corrosif dpendbeaucoup des conditions exprimentales.

2.1.1.1 Influence des paramtres mcaniques

Niveau de sollicitation cyclique : en corrosion libre, leffet dunmilieu corrosif est dautant plus important que la dure de vie consi-dre est plus grande ou que le niveau de sollicitation diminue, tan-dis que lorsque lamplitude de contrainte crot lcart entre air et

milieu aqueux diminue significativement (figure A). En effet commeon le verra en 2.2 le rle du milieu corrosif en fatigue intresseprincipalement le domaine de lamorage des fissures de fatigue,imitpour les niveaux levs damplitude de contrainte.

Par contre, sous protection cathodique, on trouve un effet oppos,augmentation de lamplitude de dformation se traduit par une

chute importante de la dure de vie (2.1.1.3) [8].

Frquence de sollicitation: l effet de la frquence est beaucoupplus sensible qul air. Lorsque la frquence est faible, la nocivitdu milieu semble exacerbe et les dures de vie diminuent nette-ment comme le montre la figure 2a[9]. Par contre, pour un tempsdimmersion donn, lendommagement parat plus important lors-que la frquence est leve (figure 2b). Le rle de la frquencedpend en fait du type de matriau considr:

si le matriau est ltat actif dans les conditions dessais, cestavant tout le temps dexposition du milieu qui contrle la dure devie, comme dans le cas de lacier doux de la figure 2b;

si le matriau est ltat passif, la rduction de la dure de vieest relier au nombre de cycles de sollicitation.

Forme du cycle de sollicitation: des essais de traction rpte,utilisant un signal trapzodal [10] ont permis dtudier linfluencede ce paramtre. Pour une frquence dtermine, les mises encharge lentes et les temps de repos longs rduisent sensiblement letemps rupture des prouvettes sollicites en milieu corrosif.

2.1.1.2 Influence des paramtres physico-chimiques

Il convient de remarquer tout dabord que le phnomne de fati-gue-corrosion sobserve souvent dans des milieux rputs peucorrosifs : solution acide dilue, solution chlorure neutre, eau

douce et mme eau distille. Dans de tels milieux, les matriaux nonsollicits mcaniquement prsentent soit une passivit plus oumoins stable soit une activitlectrochimique modre.

titre dexemple la figure 3compare les rsultats obtenus dansle cas dun acier utilispour les soupapes de moteurs marins et sol-licit en flexion rotative dans de leau de ville. Les rsultats [11]montrent une chute importante de la rsistance la fatigue 3 107

cycles, qui passe de 580 MPa (lair) 350 MPa (dans leau de ville)et une disparition de la limite dendurance.

Effet de la teneur en Cl: dune manire gnrale lorsque lateneur en Cldu milieu aqueux augmente, les dures de vie dimi-nuent. Les caractristiques de fatigue sont gnralement sensible-ment moins bonnes dans leau sale (3 % NaCl) que dans leau deville qui contient nettement moins de chlorure.

Figure 1 Influence des conditions lectrochimiquessur la tenue en fatigue-corrosion dun acier inoxydable

du type X 3 CrNiMoCu 21-7(Z 3 CNDU 21-7)[7]

104 105 106 107 1080

100

200

300

400

500

Nr(cycles)

max

(MPa)

air


circuit ouvert

contrainte maximale

potentiel impos200 mV

potentiel impos50 mV

potentiel impos0 mV

solution 3% NaCl

max

Figure 2 Effet de la frquence du cycle de traction alterneet du temps dexposition au milieu corrosif sur le comportementen fatigue dun acier doux [9]

105 106 107 1080

100

200

300

400

Nr(cycles)

a

(MPa)

42 Hz

42 Hz12 Hz4 Hz

42 Hz

42 Hz

42 Hz

12 Hz

4 Hz

1 10 102 1030

100

200

300

400

Temps (h)

a

(MPa)

4 Hz

aireaueau de mer

a

b


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Nanmoins, le seuil de nocivitest diffrent dun alliage lautre :lacier doux et lalliage daluminium 4,5 % Cu sont tous les deuxsensibles la prsence deau douce, alors que ce nest pas le caspour lacier austnitique. Dans de nombreux cas, il suffit duneteneur trs faible en Clpour faire chuter la dure de vie.

Effet du pH: leffet du pH a tmis en vidence dans le cas desaciers au carbone. titre dexemple, la figure 4prsente lvolutiondes dures de vie dprouvettes sollicites dans des solutions deNaCl possdant diffrents pH [12]. Lendurance se dtriore enmilieu acide (pH faible), tandis quelle samliore considrablementlorsque le pH devient franchement basique pH lev). Ce phno-mne sexplique par la prsence dune couche passive stable qui

recouvre la surface du mtal, attnuant ainsi lintervention du milieucorrosif.

Dans le cas des aciers inoxydables soumis des solutions acidesdpourvues de chlorures [13] une diminution sensible des dures devie est aussi observe. Ce comportement sexplique par un affaiblis-sement de la passivitlorsque le pH diminue.

Effet de loxygne dissous dans la solution: dans leurs condi-tions dutilisation en service, les matriaux sont gnralement expo-ss des milieux saturs en air, ce qui est quivalent environ10 ppm doxygne dissous. Plusieurs tudes [14] ont montrque siun acier, solliciten eau douce ou en eau sale dsare, prsentela mme limite dendurance que dans lair ambiant, en solutionare les caractristiques de fatigue diminuent rapidement. La

figure 5montre ce phnomne dans le cas dun acier AISI 4140(duretRockwell HRC = 20).

Le mcanisme correspondant sexprime par la diffrence de vites-ses de corrosion qui est relie la diffrence des ractions cathodi-ques et par lexistence dune vitesse de corrosion critique : ensolution are la raction scrit :

solution bas pH : 2H++ 1/2 O2+ 2eH2O ;

solution fort pH : H2O + 1/2 O2+ 2e2OH

en solution dsare : solution bas pH : 2H++ 2eH2; solution fort pH : 2H2O + 2e

H2+ 2OH.

Figure 3 Influence de leau de ville et de la tempraturesur les rsultats de fatigue en flexion rotative (25 Hz) pour lacier

Z 40 CSD 10 (X 40 CrSiMo 10) [11]

105 106 107 108 109

200

300

400

500

600

700

Nr(cycles)

a

(MPa)

air (20C)eau (30C)eau (80C)

Figure 4 Effet du pH de la solution sur la dure de vie en fatiguedun acier doux en solution are 3% NaCl [12]

Figure 5 Influence de lhumidit dans lair et influence de larationet dsaration de la solution 3 % de NaCl sur le comportementen fatigue de lacier AISI 4140 [14]

105

106

107

0 4 8 12

Nr

(cycles)

260 MPa

310 MPa

pH

105 106 107200

300

400

500

600

Nr(cycles)

a

(MPa)

air sec


Duretde l'air HRC = 20

air 93% d'humidit3% NaCl dsar

3% NaCl ar


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La vitesse de corrosion minimale critique, au-dessous de laquellea rsistance la fatigue nest pas affecte, peut tre dtermine en

effectuant des essais des densits de courant anodique diffren-es, cest--dire en augmentant la vitesse de corrosion une valeur

suprieure sa valeur relle dans une solution dsare 3 % NaClfigure 6).

Par contre, dans le cas dun milieu faiblement agressif [15] onobserve un effet passivant de loxygne dissous et on obtient unersistance la fatigue-corrosion FCmeilleure dans de leau areque dans de leau dsare (tableau 1).

2.1.1.3 Influence des paramtres lectrochimiques

Les rsultats prcdents montrent que lagressivitde lenviron-nement est relie lactivitlectrochimique du couple mtal solli-cit-environnement. Pour mettre en vidence ce phnomne, onpeut faire varier le potentiel de lprouvette de part et dautre de sonpotentiel de corrosion (potentiel libre) en limposant laide dunecontre-lectrode et dun potentiostat.

Effet du niveau du potentiel cathodique et de la micro-

structureLa figure 7montre une telle application dans le cas dprouvettes

en acier du type E 36 Zsollicites en flexion rotative par une ampli-ude de contrainte gale 260 MPa. Imposer un potentiel plus ano-

dique (suprieur au potentiel libre) conduit rduire les dures devie en fatigue ; par contre, un potentiel plus cathodique (infrieur aupotentiel libre) correspond une lvation trs sensible des duresde vie. Dans ce cas, partir dun potentiel voisin de 1000 mV/ECSpar rapport llectrode au calomel sature), les dures de vie

obtenues sont voisines de celles mesures lors dessais lair.

Dans le cas dun acier haute rsistance du type AISI 4140HRC = 52), Lee et Uhlig [14] constatent que pour des potentiels

cathodiques infrieurs une valeur de protection maximale, lesdures de vie diminuent de nouveau (figure 8); ils notent un dga-gement dhydrogne cathodique dont ladsorption par le mtalconduit une fragilisation de celui-ci.

Comme dans le cas de milieu dsar(2.1.1.2),on explique larduction de la nocivitde lenvironnement par une diminution descourants de dissolution du mtal : le potentiel cathodique de protec-ion maximale correspondrait une vitesse critique de dissolution

dtermine, comme cela a tdcrit plus haut (figure 5), par unesrie dessais effectus en maintien galvanostatique.

Rle du niveau de sollicitation

En fait, Brazy et coll. [8] ont montr que leffet dun potentielcathodique dpend non seulement de la microstructure du matriaumais aussi du niveau de sollicitation.

Ils ont mis au point une mthode dessais de fatigue (2.4) per-mettant de solliciter sous amplitudes de dformation imposes desprouvettes soumises diffrents niveaux de potentiel.

La figure 9montre les points suivants obtenus sur un acier E 36Z :

pour des niveaux faibles damplitude de dformation totalet/2, le nombre de cycles Nraugmente lorsque le potentiel imposdiminue en valeur absolue) ; il peut mme dpasser celle obtenue lair ambiant ;

pour un potentiel cathodique donn, l amlioration apporte,vis--vis de la corrosion libre, diminue lorsque l amplitude de dfor-mation augmente ; pour les potentiels les plus ngatifs (surprotec-tion), on observe un effet de lapplication du potentiel dautant plusnocif que la sollicitation est plus leve.

2.1.1.4 Influence de ltat de surface

Le rle de ltat de surface a ttudipar Thauvin et coll. [16][17] [18]. Ces auteurs montrent que ltat de surface joue surlamorage et la croissance des piqres. Dans le cas dun acier

Tableau 1 Essais de fatigueen traction ondule ( = 450 MPa).

Rsistance la fatigue ou 3 107cycles [15]

MilieuNombredessais

ou(MPa)

R

cart-type

(MPa)

Air 20 C . ......................................... 14 253 0,28 16

Eau dminralise are 60 C... 15 198 0,39 27

Eau dminralise dsare60 C .............................................

6 170 0,45 21

Eau dminralise dsare+ 1 g/L NaCl 60 C........................

1257

0,78 8

m

D FC

DFC

Figure 6 Influence dun courant anodique sur la dure de vieen fatigue dun acier 4140 en prsence dune solution 3 %de NaCl dsare [14]

Figure 7 Influence dune polarisation sur la dure de vieen fatigue-corrosion dun acier E 36 Z [2]

105 106 1070

20

40

60

Nr(cycles)

Contrainte 620 MPa

Temprature 25Cprouvettes non rompues

Duretde l'acier HRC = 44

Densitdecour

ant(A/cm

2)

105 106 107 108

0

-1500

-2000

-1000

-500

Nr(cycles)

Po

tentielimpos(mV/ECS)

Protection

cathodique des

plates-formes

Flexion rotative 6000 tr / min

Eau de mer synthtique pH = 8

a= 260 MPa

Potentiel libre

air


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0,2 % C - 12 % Cr (Rm= 700 MPa) dans un milieu H2O + 1 g/L NaCl,ils montrent (figure 10), quune rugositRt 5 m tait ncessairepour obtenir une limite dendurance pour 107cycles et que passerde 5 18 m pour Rt conduit une diminution de 30 % de cettelimite.

2.1.1.5 Rle de la temprature

Compte tenu de leur cot et de leur dure, les essais de fatigue-corrosion sont gnralement raliss dans des conditions aussi pro-ches que possible de celles rencontres en service ; nanmoins lerle de la temprature est rarement tudi.

Dans le cadre de ltude mentionne en 2.1.1.2, Katundi [11] a testun acier Z 40 CSD 10-1 (X 40 CrSiMo 10-1) en flexion rotative dansdes milieux peu agressifs (eau de ville). Les rsultats sont rassem-bls dans le tableau 2et la figure 3.

Ils montrent, dune part, une absence de la limite dendurance enmilieu aqueux, dautre part une chute importante de la rsistance la fatigue entre lair et leau de ville (lambiante : 20 ou 30 C). Ilsprsentent, de plus, leffet important dune augmentation de la tem-

prature de 30 80 C, correspondant une chute de la rsistance la fatigue, pour 3 107cycles denviron 45 %. Les rsultats sont rap-procher des mesures ralises, dans ce cas, l aide de llectrodenormale dhydrogne, qui montrent une augmentation sensible dupotentiel de dissolution entre 30 et 80 C.

2.1.2 Environnement gazeux

Leffet dun environnement gazeux ambiant (air sec ou humide,oxygne, vapeur deau, hydrogne, ...) joue un rle trs importantsur le comportement la fatigue des matriaux mtalliques. En par-ticulier, leffet de lair ambiant sur la rsistance la fatigue a tmisen vidence sur divers mtaux, en prenant le vide comme rfrence.

Figure 8 Influence du potentiel sur la dure de vie dun acier 4140en prsence dune solution 3 % de NaCl are [14]

Figure 9 Influence du potentiel cathodique sur la dure de viedun acier E 36 Z [8]

104 105 106 107

-0,4

-0,6

-0,2

-0,8

-1,0

-1,2

-1,4

Nr(cycles)

Potentielimpos(

V/ECS)

Contrainte 970 MPa

Temprature 25CDuretde l'acier HRC = 52

Potentiel

de corrosion

1,00

1,25

1,50

0,75

0,50

0,25

0 0,5 1,0 1,5 2,00

t

Nr

/Nr

(air)

Potentiel libre

Air

-800 mV

-1000 mV

2(%)

Figure 10 Courbes de Whler et limites dendurancedans une solution 1 g/L de NaCl pour un acier 0,15 C - 12 Cr(Rm= 700 MPa). Influence de la rugosit Rt[16]

Tableau 2 Rsistance la fatigue ou 3 107cyclesde 25 Hz de lacier Z 40 CSD 10-1 (X 40 CrSiMo 10-1)

MilieuTemprature

(C)

ou(MPa)

Rapportdendurance

Air.................... 20 580 0,53

Eau de ville ..... 30 348 0,32

Eau de ville ..... 80 194 0,18

Eau traite....... 80 580 0,53

105 106 107 3.107200

300

400

500

Nr(cycles)

a

(MPa)

Rsistance la traction Rm= 700 MPa

Limite d'lasticit 540 MPa

Rt= 20 m

Rt= 5 m

Rt= 10 mD

D

D FC

D FC


9/29



titre dexemple la figure 11 compare les courbes de Whleren flexion rpte dun alliage Al-Cu 4 %, lair et sous vide de 7 104

Pa, une frquence de 50 Hz [19] le nombre de cycles rupturesous vide augmente dun facteur 4 15 par rapport lair libre, selone niveau de contrainte et ltat structural considr.

Bien que de nombreux rsultats existent, la nature des ractionsentre le milieu gazeux et les surfaces nouvellement cres ainsi quea faon dont les lments adsorbs diffusent et modifient le

comportement du matriau sont mal connues. Les essais effectussous diverses atmosphres et diffrentes pressions font cepen-dant ressortir les caractristiques fondamentales suivantes [20] :

leffet denvironnement gazeux est plus intense aux faiblesamplitudes de sollicitation (contraintes ou dformations) ;

il existe dans la majoritdes cas un seuil de pression, partirduquel leffet denvironnement se manifeste, puis crot rapidementquand la pression augmente, jusquun palier ola pression nagitplus ;

laction des diffrents gaz est spcifique du matriau considr.

2.1.2.1 Influence de la pression et de lamplitudede sollicitation

La figure 12montre lvolution de la dure de vie en fatigue dunaluminium polycristallin en fonction de la pression dair ; la durede vie, pour une mme amplitude de contrainte, chute dans un rap-port 4 entre 102et 1 Pa [21] ; par contre, la pression na pratique-ment pas deffet en deet au-delde ces valeurs.

La figure 13met en vidence linfluence de lamplitude de sollici-ation sur lintensitde leffet denvironnement et sur les seuils de

pression critiques dans le cas du plomb sous oxygne [22] ; laug-mentation de la dure de vie quand la pression diminue est nette-ment plus importante faible amplitude de dformation impose ete seuil de pression critique dcrot tandis que lamplitude de sollici-ation augmente.

2.1.2.2 Influence de la vapeur deauLe rle du type ou de la pression dun gaz sur le comportement en

atigue peut tre sensiblement modifi par la prsence de tracesdhumidit. Cette action prpondrante de la vapeur deau expliquesans doute certains dsaccords, selon les auteurs, sur leffet respec-if de lhydrogne et de loxygne et sur la sensibilit relative de

divers alliages [20].

Dans le cas des aciers, leffet des diffrents gaz dpend beau-coup du matriau et en particulier de la tnacitde celui-ci. Duneaon gnrale, lair ambiant, lhydrogne et la vapeur deau ont une

action dfavorable sur la dure de vie des aciers haute rsistance.Par contre, la vapeur deau peut avoir un effet bnfique vis--vis dea sensibilit loxygne et lhydrogne des aciers moyenne

rsistance.

La prsence de vapeur deaurduit galement les nombres decycles rupture des alliages daluminium, du titanenon allioualli, et des alliages de magnsium.

2.1.2.3 Influence de la frquenceComme dans le cas dun milieu aqueux, lagressivitdun envi-

ronnement gazeux diminue quand la frquence de sollicitationaugmente : aux frquences suffisamment leves (> 100 Hz), lecomportement en fatigue sous atmosphre agressive peut devenirpratiquement le mme que sous vide des frquences trs inf-rieures.

2.1.2.4 Influence de la temprature

Linfluence de la temprature sur la sensibilitau milieu ambiantdpend beaucoup du matriau et de la pression.

Cette influence sexplique par la pression de ladsorption, par lesconditions de diffusion de loxygne dans le mtal et enfin par lacintique doxydation.

2.2 Mcanismes damorage

Figure 11 Courbes de Whler en flexion lair et sous videdun alliage Al-Cu 4 % ltat tremp et revenu [19]

104 105 106 1070

50

100

150

200

Nr(cycles)

a

(MPa)

"prcipit: 30 h 160Czone de Guinier Preston : 100 h 100C

Vide

Air

frquence 50 Hz

Figure 12 Influence de la pression dair sur le nombre de cycles rupture de laluminium [6]

Figure 13 Influence de la pression doxygne et de lamplitudede dformation sur le nombre de cycles rupture du plomb [22]

Les processus dendommagement en fatigue-corrosion sontnombreux. La plupart ont tschmatiquement reprsents parSchneider [23] qui rpartit ceux-ci en fonction de ltat initial dela surface du matriau, considre soit ltat actif, soit ltatpassif (figure 14).

Dans le domaine de la rsistance la fatigue-corrosion, grands nombres de cycles (Nr > 10

6 cycles), les mcanismesgnralement proposs pour rendre compte de ces processusse classent en trois catgories : adsorption, dissolution et fragi-lisation par lhydrogne [24].

10-7 10-3 10-1 10310-5 10 105106

2

5

107

Nr

(cycles)

p (Pa)

105 10-3 10-5 10-710 10-1103

106

105

107

108

Nr

(cycles)

p (Pa)

a = 7,5 .10-4

a = 9,2 .10-4

a

= 1,4 .10-3

a


10/29



2.2.1 Mcanismes dadsorption

Daprs Karpenko [25] et Rebinder [26], ladsorption en surface decertains atomes provenant du milieu aqueux provoquerait une dimi-nution dnergie superficielle et faciliterait ainsi un coulement plas-tique local. Cette interprtation a linconvnient dignorer leffet desparamtres lectrochimiques sur le processus de fatigue-corrosion.

2.2.2 Mcanismes de dissolution lectrochimique

Lapparition plus rapide des fissures en fatigue-corrosion quenfatigue lair est due lexistence dune dissolution prfrentielledu mtal dans le milieu corrosif qui peut se manifester de deuxfaons : elle peut soit provoquer une corrosion localise, soit aggra-ver le processus damorage mcanique lui-mme.

2.2.2.1 La dissolution prfrentielle induitune corrosion localise

Domaine de piqration

Les premires tudes systmatiques de fatigue-corrosion sem-blaient montrer que les fissures prenaient toujours naissance surdes piqres apparues la surface des prouvettes en cours dessais.Le mcanisme de formation de piqre est prcissur la figure 15;la corrosion par piqre se produit dans des conditions de matriau

et denvironnement pour lesquelles on observe la passivation dumtal par formation dune couche doxyde protecteur. La piqrationpeut tre alors dcrite [3] comme la destruction localise de tellescouches protectrices. Lapparition de la piqration lors de laccrois-sement du potentiel de llectrode est dfinie par le potentiel depiqre Ep.

On suppose donc que les piqres (figure 16) doivent tout dabordse former la surface du mtal suivant un processus purement lec-trochimique pour constituer ensuite des micro-entailles partir des-quelles samorcent rapidement des fissures.

Cette chronologie a tconteste [27] pour les raisons suivantes : la fatigue-corrosion se manifeste aussi dans les milieux corro-

sifs qui ne conduisent pas la formation de piqres (exemple : acierau carbone solliciten solution acide) ;

la fatigue-corrosion peut ne pas tre observe dans desmilieux qui, cette fois, suscitent lapparition de piqres ;

les piqres observes sur les prouvettes aprs rupture auniveau des sites damorage des fissures peuvent apparatre aprsla naissance des fissures.

Figure 14 Reprsentation des diffrentestapes dendommagementen fatigue-corrosion [23]

Propagation

des fissures

Initiationdes fissures

tatintermdiaire

tat initial

Germination

des fissures

1 10nm

passif

glissement piqration corrosionintergrannulaire

actif

attaquecorrosive

passif passif

piqres

Figure 15 Dfinition du potentiel de piqre [3]

Figure 16 Piqre de corrosion. Acier faiblement alli dans leau [3]

Ep

Ep

Epp

Epp

potentiel de piqre

potentiel de protection de piqre

Actif Passif Transpassif

Densitdecourant

0,1 mmEmbryon de fissurede corrosion par fatigue

Piqre de corrosion

Surface initiale


11/29



Rle des piqres

Des rsultats obtenus sur un acier faiblement alli auNi - Cr - Mo - V (limite dlasticit: 690 MPa) montrent leffetde la prsence de piqres formes pralablement [15]. Ilsmettent en vidence un abaissement remarquable de la r-sistance la fatigue dans des milieux faiblement corrosifs.

Ainsi, la cration contrle de piqres hmisphriques de profon-deur voisine de 35 m est responsable dune chute de 33 % de laimite dendurance lair et de 55 % de la rsistance la fatigue-cor-

rosion dans de leau dminralise are (tableau 3).

leffet de concentration de contraintes correspondant la go-mtrie des piqres, sajoute, en milieu aqueux, un effet dactivitlectrochimique dans les piqres prexistantes.

On peut noter quen milieu plus agressif (eau + NaCl), la rsis-ance la fatigue ne chute que de 15 %, montrant que lattaque cor-

rosive sur les zones non piques initialement est suffisante pourmasquer leffet des piqres prexistantes.

Rle des inclusions

La prsence dinclusions dans une matrice acier conduit un effetde couplage galvanique, la piqre ayant un comportement anodi-

que.En l absence de milieu corrosif, ce sont les inclusions de duret

leves (nitrures, silicates, spinelles) qui sont les plus nocives sur larsistance la fatigue.

Par contre, en milieu aqueux corrosif ce sont les inclusions deype sulfuressuperficielles (MnS, FeS) qui sont les plus nocives car

elles favorisent la piqration par formation de cavits dans lesaciers et rejettent des anions corrosifs (HSet S2 O3

).

Effets mcaniques

Les mcanismes qui prennent en compte ces effets reposentgnralement sur le principe de dissolutions prfrentielles dumtal au cours de la dformation plastique. En particulier dans lecas des matriaux ltat passif, des ruptures successives du filmprotecteur peuvent tre lorigine dune corrosion localise.

Une localisation de la dformation plastique peut se produire soitprogressivement dans le domaine des grands nombres de cycles,par exemple au voisinage dun joint de grainou dune inclu-sion, soit rapidement dans le cas de bandes de glissement, danse domaine de la fatigue oligocyclique [28].

De plus, la vitesse de dformation (effet de la frquence descycles) du mtal sous-jacent semble contrler leffet de lenvironne-ment : le film passif dtriorlocalement peut se reconstituer rapi-dement, cest pourquoi une dpassivation mcanique plus lenteentrane une dissolution plus faible.

Des travaux [7] montrent que les ruptures du film passifsont pro-voques par lmergence de marches de glissement irrversible.Dans ce cas, la dpassivation monotone cyclique sapparente ladpassivation mcanique monotone invoque dans le cas de la cor-rosion sous contrainte des matriaux passivs. Dans le cas des

matriaux actifs, une dissolution prfrentielle existerait sur lesmarches de glissement rversible alors que la surface est soumise une corrosion gnralise [29]. Cette dissolution pourrait tre suffi-sante pour creuser des microentailles et acclrer ainsi lamorage.La vitesse critique de corrosion dfinie au 2.1.1.2 correspondraitainsi lactivitlectrochimique minimale ncessaire lapparition

dune corrosion localise.La profondeur des piqres de corrosion augmente avec le temps ;

la profondeur moyenne est plus importante en fatigue-corrosionquen corrosion sous chargement statique ; elle crot avec le niveaudamplitude de contrainte ; nanmoins, le niveau de sollicitationinfluence plus largement la phase de cration des piqres que lacroissance de celles-ci [30].

2.2.2.2 La dissolution prfrentielle accentue le processusdendommagement mcanique

Dans ce cas, on admet que le cumul des dissolutions prfren-tielles sur les marches de glissement rversible facilite lapparitiondes intrusions-extrusions. La vitesse critique de corrosion mesuresur des matriaux actifs correspondrait la dissolution minimalepermettant daccentuer la plastification cyclique.

2.2.3 Mcanismes de fragilisation par lhydrogne

Certains travaux [31] semblent montrer que les marches deglissement rversiblesconstituent des sites dadsorption prf-rentielle pour les atomes dhydrogne produits par raction cathodi-que. Ceux-ci pourraient alors pntrer dans le mtal et le fragiliser.Les rsultats prsents sur la figure 8suggrent par ailleurs quun

maintien cathodique de lprouvette peut exacerber un phnomnede fragilisation par lhydrogne qui interviendrait de faon attnueen potentiel libre.

Il convient cependant de noter que la contribution de lhydrognelendommagement par fatigue-corrosion ne peut tre effective quedans les cas suivants :

sur des matriaux sensibles lhydrogne tels que les aciersmartensitiques et certains alliages daluminium ;

dans leau distille, en solution neutre dsare dans laquellelactivitlectrochimique peut tre faible ;

aux niveaux de contraintes levs.

2.3 Moyens de prvention

De nombreuses mthodes ont tproposes pour lutter contre lafatigue-corrosion [1].

2.3.1 Action sur le matriau

Dans le cas des aciers, des lments dalliagestels que le chrome,le molybdne, lazote ainsi que le nickel, le titane, le silicium, levanadium et le tungstne permettent de modifier le potentiel depiqre favorablement vis--vis de la fatigue-corrosion [3] tel que leprsente la figure 17. En fait, on mesure le potentiel de piqre parmthode potentiostatique aprs immersion pralable dune heureau potentiel libre [16].

Tableau 3 Rsistance la fatigue ou (en MPa)3 107cycles ( = 450 MPa)

Milieuprouvettes

lissesprouvettesprpiques

Air . ...................................................... 253 170

Eau dminraliseare 60 C ......................................... 198 90

dsare 60 C ................................... 170 65dsare + 1 g/L NaCl 60 C........... 57 50

D FC

m

En rsum, leffet du milieu corrosif dpend donc directementde lintensitde la dissolution anodique locale (figure 15). Si lesconditions denvironnement favorisent lactivit lectrochimi-que du mtal, elles peuvent accentuer le phnomne de fatigue-corrosion.


12/29



En effet, on observe (figure 18) pour les matriaux mtalliques unmme classement pour la rsistance la fatigue-corrosion que pourla rsistance la piqration [3].

Par ailleurs, la modification des proprits de la surface du mtalpar grenaillage de prcontrainte, laminage ou nitruration permetdamliorer les dures de vie en fatigue-corrosion (2.3.3.2).

Lutilisation de divers revtements cathodique, anodique ouinerte a aussi ttudie. Seuls les revtements anodiquesprsen-tent de lintrt car leur efficacitest prserve lorsquils se rompent(2.3.3.3).

2.3.2 Action sur le milieu corrosif

La figure 19montre de quelle manire on peut amliorer la rsis-tance la fatigue-corrosion des aciers au carbone en modifiant soitle pHsoit le potentiel du mtal(figure 7).

Figure 17 Influence des lments dalliage des acierssur la position du potentiel de piqre [3]

Ep Et

EF

EF

Ep

potentiel de Flade

potentiel de piqreEt potentiel de dbut

de transpassivit

Potentiel

Les flches indiquent l'volution de la courbe en fonction des lmentsd'alliage

Densitdecourant

Mo,Cr,Ni,

N,Ti,Si,

V,W

Si2%

S,Mn,Al

S,Mn Cr

Ni

Ni,Cu,MoCr,Ti

Cr,Ni,Cu,Mo

Cr,Mo,P,V

Figure 18 volution de la rsistance la fatigue-corrosionen eau de mer are [3]

0

100

200

300

400

500Alliages de cobalt et de titane

Superalliages base nickel

Alliages austnitiques base nickel

Aciers au carbone et faiblement allisAlliages Sn, Zn, Al, PbAlliages Mg

Aciers inoxydablesaustnitiques ou martensitiquesAlliages Cu-Ni

Aciers inoxydables-biphass-ferritiques (Cr>25%)

FC(MPa)

FC

Figure 19 Influence du potentiel imposet du pH du milieu corrosifsur le comportement en fatigue-corrosion desaciers au carbone et mthodes damlioration

Fatigue-corrosion(possible)

Fatiguecorrosion(possible)

Fatiguecorrosion

0

-1,6

-1,2

-0,8

-0,4

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

0

2 4 6 8 10 12 14 16 0

-1,6

-1,2

-0,8

-0,4

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

0

2 4 6 8 10 12 14 16

Protectioncathodique

Protectionanodique

AlcalinisationI

I

II

II

Immunit

Passivit(possible)

Potentiel(V/ENH)

pHpH

ENH lectrode normale hydrogne fatigue-corrosion fatigue

I et II limites du domaine de

stabilitde l'eau

a diagramme potentiel - pH

du fer dans l'eau 25Cb protection possible contre

la fatigue-corrosion


13/29



Par ailleurs, la prsence dans le milieu corrosif dinhibiteurs decorrosion tels que des chromates ou des dichromates permetdamliorer sensiblement le comportement en fatigue-corrosion32]. La figure 20prsente les rsultats obtenus avec le mme mat-

riau et le mme milieu que celui de la figure 3,traitlaide dunnhibiteur de corrosion base de nitrites et de sels alcalins tant

minraux quorganiques. Lutilisation de cet inhibiteur permet deretrouver la mme limite dendurance qu lair et damliorermme la rsistance la fatigue dans le domaine 105- 106cycles. Cesrsultats sont la consquence de labsence de piqration constatesur le ft des prouvettes testes dans leau traite.

2.3.3 Action sur la surface des pices

2.3.3.1 Effet de la rugosit

Comme cela a tprsenten 2.1.1.4,dans le cas de milieux fai-blement agressifs, lamlioration de ltat de surface (Rt 5 m) per-met de limiter voire de supprimer leffet du milieu corrosif et deretrouver une limite dendurance marque (figure 10) [16].

2.3.3.2 Rle des contraintes rsiduelles

Lapplication dun traitement de grenaillage de prcontraintenduit des contraintes de compression la surface des pices qui

sont bnfiques et permettent de restaurer la rsistance la fatigue,value lair, ainsi que le montre le tableau 4dans le cas dun acier12 % Cr (Rm= 950 MPa) solliciten flexion rotative dans un milieuH2O + 1 g/l NaCl (pH 6 - 7, ar) [17]. Dans ce tableau, les niveaux dersistance la fatigue correspondant trois tats (brut dusinage,aprs dtention thermique et grenaill) sont compars.

2.3.3.3 Application de revtements protecteurs

Pour prvenir lamorage dune fissure de fatigue-corrosion, onpeut utiliser un revtement (inerte, cathodique ou anodique) condition que la mise en uvre du revtement ne conduise pas

une fragilisation. La figure 21schmatise laction de ces types derevtement. Me+correspondant aux ions mtalliques produits pardissolution, un revtement anodique protge le substrat mme encas de discontinuit ; par contre si le revtement est cathodique,oute discontinuitest proscrire.

2.4 Mthodes exprimentales

2.4.1 Gnralits

Les essais de fatigue-corrosion ont gnralement deux objectifsprincipaux :

tudier linfluence dun milieu corrosif sur le comportement enfatigue dun matriau, en fonction de diffrents paramtresmcaniques, physico-chimiques et lectrochimiques ;

caractriser la tenue dune pice ou dune structure dans desconditions denvironnement donnes.

Dans le premier cas, les prouvettes dessais sont ralises dansdes conditions normalises (normes NF A 03-400, NF A 03-401,NF A 03-402, cf. [Doc. M 135]). Ces conditions permettent la compa-raison des rsultats en provenance de laboratoires diffrents. Ontrouvera des dtails concernant les conditions de ralisation desprouvettes (gomtrie, usinage) par ailleurs [34].

Dans le deuxime cas, la gomtrie et les conditions de surfacedes prouvettes ainsi que le milieu corrosif doivent simuler le mieuxpossible les conditions rencontres en service.

Dans la suite de ce paragraphe, nous nous intresserons plusparticulirement aux essais de laboratoire.

Tableau 4 Effet de ltat de surface et du milieu corrosifsur la rsistance la fatigue (MPa) 3 107cycles de 100 Hz

(acier 12 % Cr, Rm= 950 MPa)

tat de surface initial

tats tests

Brut Dtentionn Grenaill

Air NaCl Air NaCl Air NaCl

usinRt= 5 m ...... 415 224 442 583Rt= 10 m ...... 365 170 435 200 517 446Rt= 20 m ...... 300 206 460 190 526 400

poli ............................ 400 335 247 523 425

Figure 20 Influence dinhibiteur de corrosion sur les rsultatsde fatigue-corrosion en flexion rotative dun acier Z 40 CSD 10 [11]

Figure 21 Schmatisation de leffet de revtements anodiqueet cathodique sur la protection en fatigue-corrosion dun substraten acier [28]

105 106 107 108

600

650

700

550

Nr(cycles)

a

(MPa)

prouvette rompueprouvette non rompue

air (20C)eau traite (80C)

D= 580 MPa

Rgionanodique

Rgioncathodique

Revtementcathodique

Revtementanodique

Me+

Me+

Me+

Me

+

Me+

Me+

Me+

Me+
http://m135doc.pdf/http://m135doc.pdf/


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2.4.2 Machines dessai

Lessai de fatigue-corrosion le plus utilisconsiste appliquer une prouvette cylindrique, tournant suivant son axe, un momentde flexion variable ou constant. Dans ce type dessai, dit de flexionrotative, la contrainte nominale est calcule au niveau de la sectionminimale de lprouvette de forme torodale.

Le milieu corrosif est alors appliqude diffrentes faons : une bague de feutre imbibe par le milieu corrosif vient

sappliquer sur la surface de lprouvette (figure 22) ; la partie utile de lprouvette est immerge dans le milieu cor-

rosif grce une cellule de corrosion fixe, munie de joints tournants(figure 23) ;

une pulvrisation du liquide corrosif est applique la partieutile de lprouvette.

Dans tous les cas, une circulation du milieu corrosif doit tre ra-lise par lintermdiaire dune pompe entre la cellule de corrosion etun rcipient de capacitau moins 10 fois suprieure celle de la cel-lule. Les caractristiques de la solution aqueuse doivent tre vri-fies au moins deux fois par semaine dessai.

Par ailleurs, il est ncessaire que lprouvette soit isole lectri-

quement de la machine dessais.Dans le cas dessais sous chargement uniaxial(traction cyclique),

des prcautions comparables doivent tre prises.

Quel que soit le type de sollicitation utilis, il devra tre possiblede faire varier la frquence du cycle de chargement (de 0,1 100 Hzpar exemple).

2.4.3 Mesures associes

Dans le cas dtudes de mcanismes ou de la mise au point desconditions lectrochimiques et lectrophysiques qui doivent treappliques une structure, lutilisation dune contre-lectrode enplatine, entourant lprouvette, peut savrer indispensable. Grce cette contre-lectrode, il est en effet possible de faire varier demanire continue le potentiel de lprouvette, en utilisant un poten-

tiostat.Les mesures suivantes sont recommandes : la teneur en oxygne dissous dans la solution ; le pH de la solution ; tout lment susceptible de prcipiter.

Par ailleurs, linterprtation des rsultats dessais de fatigue-cor-rosion peut tre facilite si une tude lectrochimique pralable atralise sur le matriau tudi, afin de dterminer le tracdescourbes potentiocintiques J= f (E) (avec J la densitde courant)qui permet de dfinir respectivement des potentiels de piqre Ep, etde protection de piqre Epp(figure 15).

2.4.4 Simulation dun environnement marin

Ltude du comportement des structures marines conduit ltude de linfluence de leau de mer et des conditions lectrochimi-ques sur la tenue en service des assemblages souds. Dans ce quisuit, nous dcrivons les dtails pratiques concernant la mise enuvre des essais de fatigue en eau de mer.

2.4.4.1 Frquence dessais

Le comportement de lacier en eau de mer tant sensible la fr-quence dessai [35], les essais doivent tre conduits des frquen-ces ralistes, proches des conditions de sollicitation des structures(0,1 0,2 Hz pour les structures en mer du Nord). Dans la pratique,les essais sont conduits entre 0,16 et 1 Hz.

Il en rsulte des essais de longue dure qui ncessitent de soignerparticulirement ltanchitdes cellules de corrosion.

Figure 22 Bac pour essais de flexion rotative en milieu corrosif [33]

Figure 23 Montage dune prouvette de fatigue-corrosion(cellule immersion) [36]

Cotes en mm

47,5

95

Feutre

70

70

1512,5 12,5

; ;

; ;

@ @

@ @

140

55

38

5

Niveau de l'eau

47,5

95

15

95

60

35

Feutre

30

12 5 25

A

A

a vue de face b coupe AA

40

Roulement

billes

Cellulede corrosion

Cellule

de corrosion

Moteur

Rducteur

lectrodeECS

Rservoir

Pompe

+

a partie fatigue

b partie corrosion

mV


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2.4.4.2 Milieu corrosif

Plusieurs types deau de mer peuvent tre utiliss selon les ren-seignements recherchs. On distingue les eaux de mer reconsti-ues et les eaux de mer naturelles.

Eau de mer reconstitue

partir dune eau distille, deux solutions salines sont couram-ment utilises.

a) Eau sale

NaCl (30 g/l) tamponnau pH 8,2 par le mlange phosphate disso-dique Na2HPO4(0,19 g/l) et acide borique H3BO3(1,25 g/l).

b) Eau de mer synthtique sans ions mtalliques lourds (normeASTM D 1142 [Doc. M 135])

ComposantsConcentration (g/l)

NaCl ................................................24,53

MgCl2 .............................................. 5,20

Na2SO4 ........................................... 4,09

CaCl2 ............................................... 1,16

KCl................................................... 0,695

NaHCO3

.......................................... 0,201

KBr .................................................. 0,101

H3BO3 ............................................. 0,027

SrCl2................................................ 0,025

NaF.................................................. 0,003

Cette solution produit des dpts calcomagnsiens, CaCO3 etMgOH2 , en condition de protection cathodique (2.4.4.4) telle quona rencontre sur les structures marines.

Lajout dH2S dissous permet de simuler la pollution de leau pardes hydrocarbures soufrs ou par des bactries sulfatorductrices.

Leau de mer reconstitue doit tre renouvele autant de fois quencessaire au cours dun essai afin de conserver la stabilit desparamtres chimiques dans la gamme souhaite.

Eau de mer naturelle

Lutilisation deau de mer naturelle permet a priori de mieux ren-dre compte de lenvironnement rel dun site. Toutefois, son utilisa-ion est dlicate et demande des comptences en biologie marine.

On lutilise notamment pour quantifier linfluence des bactries sul-atorductrices en condition anarobique.

Il faut alors bien matriser la population des bactries, gnrale-

ment entre 102

et 107

par cm3

.

2.4.4.3 Cellule de corrosion

Type de simulation

Pour les essais de fatigue en eau de mer, deux environnementspeuvent tre utiliss : les essais en mer et les essais en laboratoire.

a) Essais en mer : dans ce cas, les chantillons sont immergs laprofondeur souhaite et un systme de flotteurs gnre les effortsau gr de la houle. Ce type dessai demande une infrastructureourde et des moyens de suivi (efforts et endommagement) sophis-iqus. Ils sont peu utiliss [37].

b) Essais en laboratoire : dans la grande majoritdes cas, lenvi-ronnement marin est simulen ayant recours la circulation deau

de mer dans une cellule qui nenglobe que la partie utile dun chan-tillon sollicitsur un bac dessai en laboratoire.

Conception de la cellule de corrosion

a) Matriau : pour la fabrication de la cellule, on utilise de pr f-rence des matriaux synthtiques type plexiglass rsistant bien

leau de mer. Par ailleurs, on vite ainsi tout problme de couplagegalvanique indsirable. Le choix dun matriau transparent permeten outre de voir le contenu de la cellule.

b) tanchit: les essais de fatigue en eau de mer sont gnrale-ment longs et les problmes dtanchitdes cellules sont toujoursdifficiles rgler. Les solutions sont diffrentes selon les conditionsdessais. On utilise des joints toriques lorsque les dplacements au

joint sont faibles, ou quand on peut faire un collage tanche au jointet une accommodation des dplacements par des lments flexi-bles de la cellule (soufflets, paroi en lastomre, ...). On utilise ga-lement des joints toriques (simple ou double) sur des portes enrsine poxy coule sur lprouvette dans le cas des joints tournantsou glissants. Les parties de joints en contact avec le milieu corrosifdoivent tre propres et sans artes vives.

c) Circulation du milieu : lalimentation en eau de mer de la cellulese fait partir dune bche qui assure un volume tampon suffisantde faon ne pas dgrader trop rapidement le milieu. Dans tous lescas, leau est renouvele intervalles rguliers pour maintenir lesparamtres chimiques dans la gamme voulue. La cellule est alimen-te en eau de mer laide dune pompe dbit variable et un retourla bche par trop-plein. Il est bon de rappeler que la circulation dumilieu joue un rle important sur la corrosion en vacuant les pro-duits de corrosion et en favorisant larrive doxygne la surfacedu mtal. De mme en systme potentiostatique, la vitesse dcou-lement du milieu influe sur la densit du courant de protection.Larrive deau peut se faire par un orifice au bas de le cellule ou parun tube plastique percde trous dirigs vers la zone critique osesitue lamorage des fissures de fatigue, pour assurer une bonneagitation du milieu au voisinage du point chaud.

2.4.4.4 Protection cathodique

Matriel

Pour simuler la protection cathodique (2.1.1.3)impose sur lesstructures marines, on a recours des essais potentiostatiques.Cette technique ncessite :

un potentiostat ; une lectrode auxiliaire en platine ou en titane platin (plus

conomique) ; cette lectrode, fil ou grille, est dispose de faon obtenir une rparation homogne du courant de protection le longdu cordon de soudure ;

une lectrode de rfrence ; on utilise gnralement une lec-trode au Calomel Satur (ECS) ou au chlorure dargent Ag/AgClrelie la cellule par un capillaire ; les lectrodes Ag/AgCl consti-tues dun fil dargent chlorur dispos mme la cellule, bienqualtrable dans le temps, savrent dun emploi trs pratique.

Prcautions dessais

Dune faon gnrale, il convient de sassurer que lchantillon estisol lectriquement du banc dessai. En conditions potentiosta-tiques imposes, lessai de fatigue ne peut dmarrer que lorsque ladensitde courant est stabilise.

Lorsque le potentiel lectrochimique est maintenu constant, lecourant de protection cathodique diminue au cours du temps. Cetterduction est attribue la formation dun dpt calcomagnsienqui isole partiellement le mtal du milieu.

Ce courant de protection est entachdun bruit de fond Iqui peuttre important en dbut dessai (I/Ide 15 20 %). Le courant deprotection ainsi que la valeur relative du bruit de fond diminuentlorsque le temps de polarisation augmente. La valeur du courantmoyen peut tre rduite dun facteur 4 5 tandis que I/Ipeut bais-ser jusqu0,5 % (figure 24a) [8].

Exemple: pour des conditions mer du Nord, la variation des princi-paux paramtres doit rester dans les gammes suivantes :

Paramtre Gamme de variationpH ................................................... 7,8 8,2

concentration en HCO3 ....................... 0,08 0,25 g/l

salinit................................................. 32 37 g/l

teneur en chlore ..................................18 21 g/l

concentration en oxygne dissous...... 92 99 % (11-12 mg/l)

temprature ........................................5 8 C


16/29



Le temps de polarisation pour obtenir une valeur minimale ducourant et du bruit de fond dpend du potentiel appliquet undegrmoindre de la temprature du fluide. Cependant, ce bruit de

fond sur le courant est essentiellement lilagitation du fluide. Eneffet, si lon supprime la circulation deau de mer, le courant de pro-tection est fortement diminu et le bruit disparat totalement(figure 24b) [38]. De ce fait dans la pratique, on ajuste la densitdecourant souhaite (par exemple, 120 mA/cm2pour les structuresmer du Nord) en jouant sur la circulation deau dans la cellule.

Lorsque lon veut raliser des essais potentiel trs ngatif(E< 1 100 ou 1 200 mV/Ag/AgCl), il faut sparer les rgions ano-diques et cathodiques de la pile. En effet, le dgagement dH2lacathode saccompagne dun dgagement dO2 et dunedcomposition des chlorures ctanodique qui modifie les carac-tristiques de leau de mer. Llment poreux lectrochimique uti-lispour sparer le ctanodique, du ctcathodique, de la celluleest une membrane qui laisse passer les ions mais qui est imper-mable au chlore.

2.4.4.5 Suivi de lendommagementDans le domaine des assemblages souds, on cherche dtecter

lamorage , au sens de lingnieur, cest--dire une fissure delordre du 1/10 de millimtres de profondeur, puis suivre lvolu-tion de cette fissure.

Technique du marquage

Cette technique consiste raliser un marquage de la surface derupture en faisant varier momentanment lamplitude de la chargeapplique la structure sollicite [39].

La technique utilise consiste rduire de moiti ltendue decontrainte applique, tout en maintenant le niveau de contraintemaximale. La rduction concomitante de Kconduit une diminu-tion importante de la vitesse de fissuration, qui permet la cration,sur la surface de rupture, doxydes tenaces. Aprs essai, lexamende la surface de rupture permet de mettre en vidence le front de la

fissure.Cette technique, dveloppe pour les essais l air, est utilisable

en eau de mer avec protection cathodique ou en corrosion libre. Lalecture des fronts de marquage est cependant plus difficile dans cedernier cas.

Mesure par jauges de dformation

a) Mthodes de mesure : plusieurs mthodes peuvent tre utili-ses. Leurs principes sont dcrits en [40].

b) Protection des jauges : lorsque cela est possible, on mettra lesjauges hors de la partie immerge. Dans le cas contraire, il faut pro-tger les jauges en utilisant les produits recommands par les fabri-cants de jauge et un brai poxy. La protection dans le temps des

jauges est toujours difficile, notamment en protection cathodique et

des essais prliminaires peuvent permettre de trouver le meilleurcompromis surface daccrochage- produits de protection.

Mesure de variation du potentiel au pied de la fissure

La dtection de lamorage et le suivi de fissure en eau de mer par

variation de potentiel lectrique se prsente comme lune des plusperformantes [41]. Lprouvette est alimente par des crneaux decourant continu et lon enregistre la variation du potentiel entre2 points de mesure de part et dautre du pied de cordon (figure 25).Plusieurs couples de prise de potentiel sont gnralement dispossdans la rgion du point chaud, ce qui permet de reconstituer la go-mtrie du front de fissure (figure 26).

Comme toutes les mthodes indirectes, celle-ci ncessite ga-lement un talonnage pralable par la technique de marquage,comme cela est prsentsur la figure 26.

2.4.5 Cas des essais damorage

2.4.5.1 Mthodologie

Afin dtudier de faon plus prcise le stade damorage prcocedes fissures de fatigue-corrosion dans le cas de pices entailles,des essais sont raliss sur des prouvettes possdant une entaillelatrale de rayon, sollicites en flexion [42].

Les rsultats sont caractriss en termes dtendue du facteurdintensit de contrainte K rapporte la racine du rayon delentaille, soit K/ ou de ltendue de la contrainte cyclique lapointe de la fissure, max.

Tandis que les essais effectus lair montrent un comportementen amorage qui varie avec la rsistance du matriau, les rsultats,obtenus dans une solution 3,5 % NaCl, sont pratiquement iden-tiques (figure 27), indpendamment de la rsistance des acierstudis.

Figure 24 volution du courant de polarisation

a en fonction du temps b avec l'agitation du milieu

t(jours) t(heures)

I(mA) I(mA)

I

Agitation forte

faible

nulle

moyenne

Figure 25 Mthode lectrique crneaux de courant continupour suivre lvolution de la fissure [39]

Interface avecl'ordinateur

Signal dechute de tension(courant continu)

Signal de commandede l'impulsion

Slection deslectrodes de

mesure

Amplificateur

Multiplexeur

lectrode de mesurede chute de courant

Amenesde courantPointchaud

Sourcelectrique

Courant

0

90

+--


17/29



2.4.5.2 Dtection de lamorage dune fissure

Mthode optique

Lapparition dune fissure fond dentaille est dtecte laidedun systme optique (binoculaire) correspondant un grossisse-ment de 250 [42].

Mthodes lectrochimiques

Des mthodes utilisant lvolution du potentiel ou du courant de

corrosion ont tutilises pour dtecter lamorage de fissures deatigue dans le cas dessais de traction sous amplitude de dforma-ion aimpose.

Le dispositif dvelopppar Magnin [43] permet de suivre lvo-ution de la surface de lprouvette en enregistrant les volutions

simultanes (figure 28) de lamplitude de la contrainte et du poten-iel moyen. Pendant les premiers cycles, le potentiel augmente for-ement en raison de la formation de nombreuses lignes de

glissement apparaissant la surface de lprouvette. Le potentieldcrot ensuite lentement, ce qui correspond la localisation de ladformation plastique dans des bandes de glissement larges dimi-nuant ainsi le nombre dapparition de la dpassivation. Finalement,e potentiel augmente rapidement jusqula rupture. Cette augmen-

tation du potentielest associe lapparition et la propagation demicrofissures dont la longueur initiale a pu tre estime 70 m.

Dans le cas dune prouvette sous protection cathodique, Brazyet coll. [8] tudient lvolution simultane, en fonction du nombre decyclesappliqus, de la contrainte et du courant de protection. Lafigure 29donne lallure gnrale des boucles I-et -, soit lorsquilny a pas fissure, soit lorsquune fissure est amorce. Dans ce derniercas, on remarque que Iaugmente : en effet lamorage dune fissurese traduit par une augmentation de la surface du mtal en contactavec llectrolyte. Le potentiel tant maintenu constant, lamplitudedu courant augmente au fur et mesure que la fissure se propage. Deplus, les nouvelles surfaces mises nu sont beaucoup plus ractivesque la surface de lprouvette qui, elle, est polarise. On montre aussi

Figure 26 Comparaison des mesures par mthode lectriqueavec les lignes de marquage du front de fissure [41]

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0

00

-50

50

-100

100

150

200

-150

-200

15

-15

-30

-45

30

45

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Profondeur de fissure relative ( longueur de fissure / paisseur de la tle )

Angledupointchaud

Distancedupointchaud(mm)

Chute de potentiel aprs :

126 000 cycles

270 000 cycles

354 000 cycles

408 000 cycles

360 000 cycles

700 000 cycles

830 000 cycles

960 000 cycles

1 090 000 cycles

a b

Figure 27 Comparaison des bandes de dispersiondes rsultats damorage en fatigue-corrosion pour quatre aciersde construction [42]

Figure 28 volution simultane de lamplitude de contrainteet du potentiel moyen [43]

0

103

104

105

106

107

108

200

400

600

800

1000

Nr(cycles)

K/

(MPa)

A 36

A 588 A

A 517 F

V 150

3,5 % NaCl

R= 0,10

101 102 103 104100

200

300

400

Nr(cycles)

Les valeurs de potentiel ne sont pas indiques,seule compte l'volution de la courbe

a(MPa)

Contrainte

acier Z 3 CND 17-12

NaCl 30g / L

a= 10-2s

-1

t/ 2 = 4.10-3

Potentiel


18/29



que la brusque augmentation du courantapparat lorsque la fissuresouvre. Daprs ces auteurs, la sensibilitde la mthode est impor-tante, partir de lexploitation des boucles I- ; en effet, le dbutdune discontinuitdu courant, en compression, peut tre retenucomme critre damorage, bien avant que lindique une chute de lacontrainte. Des fissures de surface gale 3 mm2et de profondeurgale 0,25 mm peuvent ainsi tre dtectes.

2.4.6 Cas des essais sous amplitude

de dformation imposeLutilisation dessais sous amplitude de dformation impose per-

met dtudier : la rsistance la fatigue oligocyclique, dans un domaine de

nombre de cycles rupture infrieurs 105cycles ; les mcanismes dendommagement de la surface dune

prouvette.

2.4.6.1 Essais de fatigue oligocyclique sous corrosion

Brazy et coll. [8] ont dveloppune cellule de corrosion(figure 30) dans laquelle lprouvette peut tre teste en tractioncyclique et sous condition potentiostatique.

Lprouvette est fixe par rapport la cellule et les parois latralesde celle-ci sont souples, afin daccepter les dformations cycliques.

Les essais sont effectus sous une amplitude de dplacementimposdu vrin. En effet, un talonnage pralable a tralisafinde relier la dformation de lprouvette dans la partie calibre et ledplacement du vrin.

Pour la dtection de lamorage dune fissure de fatigue, deuxmthodes sont utilises simultanment, bases, lune sur lvolutionde la charge, lautre sur celle du courant de protection cathodique.

2.4.6.2 tude exprimentale des mcanismesdendommagement

Pour tudier les mcanismes de dommage de fatigue-corrosion,une analyse prcise des ractions lectrochimiques transitoires lasurface du mtal doit tre faite en relation avec lvolution des pro-prits mcaniques cycliques et celle de la rugositde la surface.

Figure 29 volution du courantet de la contrainte en fonctionde la dformation sans et avec fissure

I

(mA)

I

(mA)

I

(mA)

N1cycles

pas de fissure

Pas de fissure

N2cycles

fissure amorce

Nr N

N

N2NAN1

N1

N2

t

2

t

2

t

2

t

2

N'A

min

max

NAet N'Anombre de cycles l'amorage (mthodes-diffrentes)

+

t2

+ t

2+

+--

t

2--

t

2--

--

Figure 30 Cellule de corrosion en fatigue oligocyclique

; ; ;

; ; ;

; ; ;

; ; ;

; ; ;

; ; ;

Contre lectrodede platine

lectrode derfrence (Ag/Agcl)

prouvette

Cellule


19/29



Dans ce but, Magnin et coll. [44] ont dveloppune techniquebase sur lobservation, durant le chargement cyclique, de lvolu-ion du potentiel ou de lintensitde corrosion qui se produit sur une

zone relativement grande (1,5 cm2) du mtal. Cette mthode permetdanalyser leffet de plusieurs paramtres sur les mcanismes deatigue-corrosion. Ces paramtres sont les suivants :

les niveaux maximaux des densits de courant observ, soiten traction Jt, soit en compression Jc;

la densitde courant de rfrence Jbqui reflte lactivitglo-bale de lprouvette pendant un demi-cycle de sollicitation ;

la quantitdlectricitgnrale par cycle Q.Le montage dessai est prcis sur la figure 31; lprouvette

dessai de diamtre 5 mm est expose la solution corrosive. Pen-dant lessai de fatigue potentiel impos, les signaux transitoires decourant sont enregistrs en fonction de la dformation cycliquempose et du nombre de cycles (figure 32).

laide de ce dispositif, il est possible denregistrer lvolution desparamtres dfinis plus haut, au cours des diffrentes phases dvo-ution de la microstructure (adoucissement/durcissement/satura-ion) et du dommage par fatigue (amorage des microfissures,

propagation de celles-ci) ; les taux de dpassivation et de repassiva-ion peuvent tre estims en fonction des phnomnes micro-

structuraux.

2.4.7 Analyse statistique des rsultats

Nakajima et coll. [30] ont analysles rsultats dessais de fatiguesous corrosion, dans le cas dun acier 0,45 % C (Rm= 605 MPa)sollicits en milieu eau + 3 % NaCl. Ils montrent que les rsultatssuivent une distribution de Weibull deux ou trois paramtresfigure 33)du type :

o m, et sont respectivement les paramtres de forme,dchelle et de localisation

Le nombre des paramtres utiliss pour ajuster les rsultatsdpend du niveau de contrainte. Par ailleurs, la dispersion desdures de vie, sous corrosion, crot lorsque le nombre de cycles rupture augmente. Elle est cependant plus faible que celle corres-pondant aux essais air.

3. Fissuration par fatiguesous corrosion

Ltude du stade de propagation dune fissure de fatigue sous cor-rosion, laide des concepts de la mcanique de la rupture, permetde connatre limportance relative du stade de propagation dans ladure de vie totale dune pice et dune structure [45]. Cette tudeest dautant plus importante que, dans certaines conditions d envi-ronnement et de sollicitation, la fissure de fatigue peut se propagerbeaucoup plus rapidement que dans lair ambiant.

Figure 31 Appareillage dessai de fatigue-corrosion sous amplitudede dformation contrle [43]

F Nr( ) 1 expNr

--------------

m

=

Potentiostat

E(t)

Capteur transformateurdiffrentiel

a(t)

I(t)

F(t)

lectrodeECS

lectrodeauxiliare

prouvette

Figure 32 Mesure des caractristiques des courants transitoires

potentiel impos dun matriau ltat passif [43]

Figure 33 Distribution des dures de vie en fatigue, lair,reportes sur une chelle de Weibull [30]

Jt

Jc

J

J

J0

t

t

Contrainte

Dformations

Tension

Compression

Q

104 105 106

1,0

3,0

5,0

10,0

30,0

50,0

90,0

99,9

Nr(cycles)

310 MPa

a = 340 MPa

280 MPa

ProbabilitcumuleF(%)


20/29



3.1 Aspect phnomnologique

De manire rendre compte de linfluence dun milieu corrosifdonn sur les caractristiques de propagation, il est ncessairedeffectuer au pralable des essais dans un milieu de rfrence.Celui-ci sera par principe inerte vis--vis de lalliage tudi.

Suivant les alliages et les auteurs, les milieux de rfrencevarient. Ce sont, en gnral, le vide (entre 108et 1010Pa), largon,lhlium et mme lair ambiant, avec une frquence leve du cyclede sollicitation (par exemple > 30 Hz).

3.1.1 Environnement aqueux

3.1.1.1 Influence du niveau de contrainte fond de fissure

Les tudes de fissuration en fatigue sous corrosion prsententune diffrence sensible entre les rsultats obtenus ainsi que lesmcanismes proposs, en deet au-deldu niveau KIscc.

Ltude quantitative du stade de propagation dune fissure defatigue est rendue possible grce lintroduction des conceptsde la mcanique de la rupture et en particulier du facteur dinten-sitde contrainte Kqui permet dexprimer ltat des contraintesau voisinage dune fissure. Ce facteur est de la forme :

avec N contrainte nominale applique la picefissure,

a longueur de la fissure,

f fonction de la gomtrie de la pice et de sonmode de chargement

Lorsque la charge varie ainsi que la gomtrie du dfaut,durant le processus de fatigue, la valeur du facteur K, chaqueinstant, permet de dcrire leffet de ces variations sur la vitessede propagation de la fissure. En fait, les contraintes au voisinagedune fissure au cours dun cycle de fatigue sont connues dsque lon connat les valeurs maximale Kmaxet minimale Kmindufacteur Kau cours de ce cycle.

De nombreuses tudes ont montr que la vitesse de fissu-ration da/dN(progression dade la fissure pour dNcycles) estcontrle par ces deux paramtres, soit, si lon pose :

K= KmaxKminet R= Kmax/Kminon a :

da/dN= f(K,R) (1)Ainsi pour une valeur donne de R, on montre que cest la

variation de Kqui permet de dcrire da/dN.Dans les conditions de fissuration stable, la relation (1)scrit :

da/dN= CteK (2)ce qui correspond une relation linaire sur un diagrammelg (da/dN), lg K. Dans la suite, les rsultats seront prsents surun tel diagramme.

K N a f= La plupart des auteurs comparent la valeur Kmaxdu facteur Kau cours dun cycle sa valeur limite KIscc(KIseuil de fissura-tion sous contrainte et scc stress corrosion cracking) obtenue encorrosion sous contrainte statique, pour un milieu donn. Cettevaleur du facteur K correspond au niveau dintensit decontrainte au-dessous duquel, on nobserve aucune propaga-tion dune fissure amorce ou prexistante en corrosionsous contrainte. Dans le paragraphe suivant, nous prsentonsles rsultats de diffrentes tudes de fatigue-corrosion en lesclassant par rapport KIscc.

Le seuil de non-propagation dune fissure de fatigue Ksper-met aussi de rendre compte de linfluence du milieu corrosif. Leseuil Ks est la valeur Kmaxdu facteur dintensitde contrainteau-dessous de laquelle on nobserve pas la propagationdune fissure, prcdemment amorce en fatigue.

Johnson et Paris [46] remarquent que lon peut schmatiserlinfluence de lenvironnement de la faon suivante :

si Kmaxest suprieur KIscc, cest la corrosion qui joue lerle le plus important dans la propagation de la fissure, mais lavitesse de fissuration est modifie par la superposition deleffort cyclique ;

si Kmaxest nettement infrieur KIscc, la propagation de la

fissure est due essentiellement la contrainte cyclique(fatigue) ; si Kmaxest lgrement infrieur KIscc , la propagationest due la contrainte cyclique, bien que la vitesse de fissurationsoit acclre par le milieu corrosif.

Linfluence de la corrosion dpend du temps pendant lequel Kdpasse la valeur KIscc; elle dpend donc en particulier de la fr-quence des cycles et de la contrainte moyenne.

Figure 34 Diffrents types de comportementen fissuration par fatigue sous corrosion [47]

Inerte

lg Kmax

lg(da/dN)

lg(da/dN)

lg(da/dN)

KIcou Kc KIcou KcKIsccKIcou KcKIscc

Agressif

Inerte

lg Kmax

Agressif

Inerte

lg Kmax

Agressif

Type A Type B Type C

KIctnacit( Kcestimation de KIc)


21/29



partir de ces observations, la figure 34prsente les trois typesdvolutions de la vitesse de fissuration obtenues sur des alliages haute rsistance [47] qui peuvent tre considrs.

3.1.1.2 Fatigue et corrosion sous contrainte (Kmax> KIscc)

La corrosion sous contrainte affecte la vitesse de propagation au-dessous dune certaine frquence dessai. La figure 35schmatiseinfluence de la frquence pour Kmax> KIscc[48].

Pour des frquences suprieures ou gales 20 Hz, on nobserveaucun effet de la corrosion sous contrainte ; les courbes da/dN= f(K)ne prsentent aucune inflexion au niveau KIscc.

Au-dessous de 20 Hz, linfluence de la corrosion sous contrainteest dautant plus importante que la frquence diminue. Pour des fr-quences trs basses, celle-ci finit par contrler compltement la fis-suration.

Leffet de la corrosion sous contrainte peut tre mis en videnceen plaant les rsultats dessais de fissuration en fatigue sur un dia-

gramme en fonction de la frquence dessai f:

La figure 36montre que dans le cas dun acier du type AISI 4340,es vitesses de fissuration en fatigue sous corrosion sont au moins

dix fois plus grandes que celles obtenues sous vide, ds que la fr-quence dessai est infrieure quelques hertz [49].

Dans ce cas, lhypothse de sommation linaire propose par Weiet Landes [50] peut sappliquer.

Lutilisation de cette hypothse suggre que pour Kmax> KIscc , le

processus mcanique de fatigue a un effet ngligeable sur la pro-gression de la fissure et que la vitesse de fissuration est contrleseulement par lenvironnement corrosif.

Dans ce cas, il y a interaction entre les mcanismes de corrosionsous contrainte et de fissuration par fatigue seulement quand lavitesse de fissuration sous charge statique est de lordre de gran-deur de la vitesse de fissuration par fatigue correspondant un envi-ronnement inerte.

3.1.1.3 Fatigue-corrosion pure

Dans ce cas, le milieu corrosif peut affecter trs sensiblement lafissuration sans faire intervenir la corrosion sous contrainte, soitque Kmax< KIscc(figure 34,Type B), soit que le matriau est insensi-ble la corrosion sous contrainte dans la solution corrosive utilise

(figure 34, Type A). Il convient de considrer leffet de lenvironne-ment au cours des diffrents stades de la fissuration.

Stade I(da/dN< 105mm/cycle)

Dans ce stade, les rsultats sont contradictoires ; on peut obser-ver soit une acclration trs nette de la fissuration correspondant une

Documents

Essais de Fatigue-corrosion