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Article

1 - DÉFINITIONS

2 - FATIGUE SOUS CORROSION

3 - FISSURATION PAR FATIGUE SOUS CORROSION

4 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : M135 v2

Fatigue sous corrosion
Essais de fatigue-corrosion

Auteur(s) : Henri-Paul LIEURADE

Date de publication : 10 juin 1998

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Auteur(s)

  • Henri-Paul LIEURADE : Ingénieur du Centre d’études supérieures des techniques industrielles (CESTI) - Ingénieur de l’Institut supérieur des matériaux et de la construction mécanique (ISMCM) - Docteur ès Sciences - Chef du Département matériaux du Centre Technique des Industries Mécaniques (CETIM)

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INTRODUCTION

La fatigue-corrosion peut être définie comme l’action combinée d’un environnement agressif et d’une contrainte cyclique conduisant à une rupture prématurée du métal par fissuration. Dans cette définition, il convient d’insister sur le terme « combiné » puisque de nombreux expérimentateurs ont montré que ni la contrainte cyclique à l’air, ni l’action due à l’environnement ne produisaient séparément le même dommage résultant de l’action conjointe. En d’autres termes, une éprouvette précorrodée ne présentera pas forcément une réduction appréciable de durée de vie en fatigue, et une éprouvette fatiguée tout d’abord à l’air ne conduira pas obligatoirement à une vitesse de corrosion du métal accrue.

Pour illustrer cette idée, la figure 1 montre l’évolution de la durée de vie d’éprouvettes en acier de construction métallique du type E 36, en fonction de la contrainte cyclique appliquée (courbe de Wöhler). L’effet du milieu corrosif (eau de mer synthétique) et de la fréquence du cycle de charge conduit à une chute des caractéristiques de fatigue d’autant plus importante que la fréquence des cycles est faible. Les courbes en tireté ont été tracées à partir des courbes à l’air en faisant l’hypothèse que l’effet de la corrosion n’est dû qu’à une réduction de section des éprouvettes par corrosion généralisée. La comparaison de ces courbes avec les courbes obtenues lors des essais sous corrosion montre que l’effet du milieu corrosif est plus important que ne le prévoit cette hypothèse.

Par ailleurs, l’influence des caractéristiques mécaniques en traction des matériaux, importante sur les caractéristiques de fatigue à l’air, ne paraît pas significative sur les caractéristiques de fatigue-corrosion. La figure 2 compare le comportement en fatigue de deux aciers au carbone à l’air et dans l’eau de mer à 80 C.

À l’air, les résultats montrent une asymptote en contrainte, correspondant au niveau de la limite d’endurance, d’autant plus élevée que la résistance à la traction est plus importante. Par contre sous corrosion, d’une part, on n’observe plus d’asymptote (la notion de limite d’endurance a disparu), d’autre part, les résultats sont comparables pour les deux matériaux.

Une conséquence de ce comportement général pour tous les matériaux métalliques est le remplacement en fatigue-corrosion du terme « limite d’endurance σD » par celui de « résistance à la fatigue-corrosion σ FC à N cycles ».

Les deux exemples précédents indiquent, d’une part, que l’effet d’un environnement corrosif est très important sur le comportement à la fatigue des matériaux métalliques (une réduction des contraintes admissibles par un facteur 5 peut être possible), d’autre part, que les paramètres mécaniques, géométriques et métallurgiques, considérés généralement pour rendre compte du comportement en fatigue à l’air, ne sont plus suffisants ; il convient de faire appel à des paramètres physico-chimiques et électrochimiques.

Le mécanisme de rupture par fatigue est généralement divisé en trois stades :

  • l’amorçage d’une fissure de fatigue à partir d’un défaut géométrique ou métallurgique conduisant à une concentration locale de déformation ou de contrainte ;

  • la propagation de cette fissure dans l’éprouvette ou la pièce ;

  • la rupture de celle-ci.

L’effet des paramètres physico-chimiques ou électrochimiques est sensiblement différent dans les deux premiers stades qu’il conviendra de considérer séparément.

Cet article a pour but de présenter les méthodes expérimentales recommandées pour préciser l’influence d’un milieu corrosif sur des éprouvettes de matériaux métalliques.

Pour mener à bien ce travail, nous définirons tout d’abord quelques termes indispensables avant de considérer les phases d’amorçage et de fissuration par fatigue-corrosion. Dans chaque cas, nous présenterons l’influence des principaux paramètres sur le comportement des matériaux soumis à un environnement soit aqueux, soit gazeux. Nous rendrons compte succinctement des principaux mécanismes mis en jeu.

Les moyens de prévention contre la fatigue-corrosion seront mentionnés. L’ensemble de ces notions indispensables permettra de proposer les méthodes d’essais adaptées. La description de ces méthodes s’appuiera largement sur l’article des Techniques de l’Ingénieur « Essais de fatigue » [63]

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-m135


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2. Fatigue sous corrosion

2.1 Aspects phénoménologiques

Pour rendre compte du comportement vis-à-vis de l’amorçage en fatigue des matériaux métalliques, on a recours le plus souvent à des essais selon Wöhler qui consistent à soumettre une éprouvette de petites dimensions à une contrainte cyclique de flexion ou de traction σ et à mesurer le nombre de cycles à rupture Nr. Les résultats sont reportés sur un diagramme σ = f (Nr) (diagramme de Wöhler) comparable à ceux des figures 1 et 2. Bien que l’essai soit conduit jusqu’à la rupture, on considère généralement que pour les grandes durées de vie la part de la durée de vie consacrée à la propagation est faible vis-à-vis de la durée de vie pendant la phase d’amorçage, compte tenu de la faible dimension des éprouvettes. Dans ce qui suit, les résultats d’essais sous fatigue-corrosion sont généralement comparés à ceux obtenus à l’air à de fortes fréquence f de cycles (> 10 Hz).

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2.1.1 Environnement aqueux

Les figures 1 et 2 illustrent deux exemples de l’effet primordial d’un milieu corrosif tel que l’eau de mer sur des aciers au carbone. La figure 3 fournit une autre illustration dans le cas d’un acier inoxydable austénitique du type X 3 CrNiMoCu 21-7 (Z 3 CNDU 21-7), utilisé généralement pour des environnements extrêmement agressifs [7].

Bien que pour cet acier le comportement en fatigue-corrosion soit sensiblement meilleur que pour les aciers au carbone, les caractéristiques de fatigue à 107 cycles chutent d’environ 30 %. L’influence d’un nouveau paramètre, le potentiel imposé, apparaît avec évidence.

Comme cela a été précisé dans l’introduction, les courbes de Wöhler perdent leur caractère asymptotique pour les grands nombres de cycles. De plus, l’intervention du milieu corrosif dépend beaucoup des conditions expérimentales.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DUQUETTE (D.J.) -   A review of aqueous corrosion fatigue (Une revue de la fatigue-corrosion aqueuse).  -  Corrosion Fatigue Chemistry Mechanics and Microstructure NACE-2. National Association of Corrosion Engineers, 1973, p. 12-24.

  • (2) - TRUCHON (M.), RABBE (P.) -   Comportement en fatigue-corrosion de différents matériaux métalliques en milieu chloruré.  -  Mémoires Scientifiques Revue de Métallurgie, mars 1983, p. 117-130.

  • (3) - SPEIDEL (M.O.) -   Corrosion Fatigue (Fatigue-corrosion).  -  Compte rendu de ICF6 (International Conference on Fraeture), New-Dehli, déc. 1984, vol. 1, p. 379-398.

  • (4) - PELOUX (R.M.), STOLZ (R.E.), MOSKOWITZ (J.A.) -   *  -  Mat. Sc. Eng. 25, 1976, p. 193.

  • (5) - WEI (R.P.) -   On understanding environment-echanced fatigue crack growth. A fundamental approach (Sur la compréhension de la fissuration par fatigue sous environnement - Une approche fondamentale).  -  ASTM STP 675, 1979, p. 816-830.

  • ...

NORMES

  • Produits sidérurgiques. Essais de fatigue. Principes généraux. - NF A 03-400 - 08-1983

  • Produits sidérurgiques. Essais de fatigue par charge axiale. - NF A 03-401 - 08-1983

  • Produits sidérurgiques. Essais de fatigue par flexion rotative. - NF A 03-402 - 08-1983

  • Standard test method for measurement of fatigue crack growth rates. - ASTM E 647-00 -

  • Standard definitions of terms relating to fluid aqueous and chemical environmentally affected fatigue testing. - ASTM E 742-81 -

  • Standard test method for water vapor content of gaseous fuels by measurement of dew-point. - ASTM D 1142-95 -

  • Corrosion des métaux et alliages. Partie 1 - Essais cycliques à rupture. Partie 2 - Essais d’amorce de rupture sur des éprouvettes fissurées. - ISO/DIS - 11782 -

ANNEXES

  1. 1 Thèses

    1 Thèses

    * - http://www.sudoc.abes.fr

    HERMS (E.) - Étude fractographique de la corrosion sous contrainte et de la fatigue-corrosion d’alliages austénitiques : incidence sur l’expertise et les mécanismes. - 2000 Université de Bordeaux I.

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