Exposé 1518_Bosch

Institut Mines-Télécom

Influence d’une pré-déformation en torsion surla fissuration assistée par l’environnement d’unacier ferrito -perlitique écroui en milieux aqueux

A. Vancostenoble , C. Bosch, C. Duret-Thual, D. Delafosse

Conférence Matériaux 201424-28 novembre 2014


Contexte et application des aciers HLE

� Acier à 0,71 %C à très haute résistance mécanique pour application câble porteur ou renfort dans structure composite, ex. :

− câbles pour pont suspendu, − renforts pour béton armé et pneumatique, − fils d’armure pour pipeline flexible, …

11/12/2014 École des Mines de Saint-Étienne2

• Traitement thermique de patentage : perlite fine (Troostite) − durcissement par affinage de la taille de grain de ferrite

< 10µm (loi de Hall-Petch) et espace interlamellaire faible

• Suivi d’un tréfilage et laminages successifs à froid − durcissement par écrouissage à froid

� Résistance mécanique Rm > 1400 MPa, mais forte anisotropie microstructurale et texture morphologique

Mode d’élaboration :


Contexte et application des aciers HLE

• Facteurs susceptibles de limiter les durées de vie :

− fatigue ou surcharge mécanique (cependant large coef. de sécurité > 3,5)

− corrosion localisée (corrosion sous contrainte)


Dimensionnement à la conception :

Etude de la texture morphologique de la perlite ind uite par une torsion sur la sensibilité à la CSC


Plan de l’exposé

1 - Matériau de l’étude

2 - Méthodes et moyens expérimentaux

3 - Résultats

• Effet de la torsion sur le comportement mécanique

• Effet de la torsion sur la sensibilité :

‒ à la CSC à potentiel libre

‒ à la FPH à potentiel cathodique

4 - Discussions / Conclusions



Caractérisation du matériau

� Composition chimique (%massique)


C S Si Mn P Cr Ni Mo

0.71 0.011 0.24 0.54 0.014 0.022 0.030 0,012

� Microstructure− Lamelles Fe3C préférentiellement alignées à DL

− Espace interlamellaire : λ = 60 nm à 200 nm

− Autres morphologies des colonies de perlite …

TLDL

TC

Cémentite en plaquettes(observation après dissolution de la ferrite)


Caractérisation du matériau


DL

TLDL

TC

Plan travers long


Méthode et moyens expérimentaux

� Environnements et conditions électrochimiques


1 - Milieu type « eau de mer » confinée (Vol. de solution / Surface exposée < 0,3 l)

pour les essais à potentiel libre E0

2 – Milieu type solution NaCl à 30g/L pour les essais à Ec = -1000 mV/ECS

Les deux milieux sont

désaérés et saturés en

CO2 (Pi CO2 = 1atm)


Méthode et moyens expérimentaux

� Géométrie d’éprouvette


� Éprouvette cylindrique diam. 3 mm

� Polissage 1 µ, avant et après pré-déformation en torsion

� Sollicitations mécaniquesElectrode de référence

Eprouvette

Cellule de corrosion

électrochimique

� Pré-déformation en torsion à l’air :

5% 10% 28%

� Essais de CSC / Traction lente en milieux

Solution NaCl à Ec = -1000 mV/ECS : ε = 10-6 s-1

Solution eau de mer confinée à E0 : ε = 10-7 s-1

.

.


Résultats : comportement mécanique à l’air

� Essais de traction après pré-déformation en torsion


pré-déformation ε1 Rp0,2 (Mpa) Rm (Mpa) AL25 (%) Z (%)

- 1308 1506 7,48 49,4

5% en torsion1194 1589 4,92 47,2

1152 1460 8,04 52,8

10% en torsion1204 1503 5,88 47,5

1179 1480 8,97 51,2

28% en torsion 1112 1437 8,59 47,5

� Rp0,2 ↓ quand pré – torsion ↑

� dσσσσ/dεεεε : taux d’écrouissage ↑

� Pas de perte de ductilité



� Effet de la pré-déformation en torsion sur la micro structure


torsion, ε1 = 28%

DL DL

Après torsion à 28% Avant torsion à 28%

− Diminution de l’effet renfort de la cémentite : désorientation progressive des colonies de

perlite du cœur vers la surface des éprouvettes par rapport à la direction de laminage,

fragmentation des lamelles de cémentite dans la perlite grossière,

− Endommagement mécanique : formation de µ-cavités dans la ferrite



� Effet de la pré-déformation en torsion sur la micro structure


� abaissement de la σYS dû à un moindre effet composite ferrite/Fe3C

� dσ/dε avec la pré-torsion dû la diminution des obstacles au déplacement

des dislocations

� en traction :



� Analyse fractographique


� TL sans pré-torsion� TL après pré-torsion à 28%

Pas de délamination centrale

− rupture ductile à cupules + délaminations fragiles aux interfaces ferrite/Fe3C,et colonies de perlite

− Rupture ductile à cupules

− Délaminations fragiles aux interfaces ferrite/Fe3C,et colonies de perlite


Résultats : sensibilité à la CSC en TL à potentiel libre


Sans pré déformation pré déformation 5% en torsion

pré déformation 10% en torsion pré déformation 28% en torsion

Air E0




28%

10%5%

0%

Institut Mines-Télécom11/12/2014 École des Mines de Saint-Étienne15


• Dissolution localisée dans les bandes de cisaillement orientées à 45°de la contrainte

appliquée en traction

• Amorçage multiples de fissures (secondaires) avec la triaxialité des contraintes (après

développement de la striction),

• et au contraire, diminution du nombre de fissures secondaires avec l’augmentation de la

pré-déformation en torsion

• Pas de fissures observées pour des pré-déformation de 28% en torsion

• Essais à potentiel libre / fractographie



• Essais à potentiel libre / fractographie sur coupes métallographiques

• Fissures secondaires observées en coupe dans la direction de laminage• Cinétique de dissolution fortement dépendantes de l’orientation de la microstructure• Pour l’éprouvette non pré-déformée, nombreux branchements de fissures qui suivent

l’orientation préférentielle des lamelles de cémentite• Obtention d’un défaut critique plus rapide dans le cas de l’éprouvette pré-déformé en torsion

à 28%

0%28%


Résultats : sensibilité à la FPH en TL à potentiel cathodique

Sans pré déformation pré déformation 5% en torsion

pré déformation 10% en torsion pré déformation 28% en torsion

Air EC



28%

0%

• Fissures orientées à 90°par rapport à la direction de laminage

-Influencées par la microstructure-Caractérisées par de multiples délaminations reliées entre elles par des déchirements ductiles

• Observation de zones caractéristiques des effets de l’environnement :

amorçage



0 %

� Amorçage sur des défauts de surface (inclusions, …)� Fissures secondaires orientées selon la microstruct ure :

28 %

� Formation d’un embryon de fissure

� Formation d’une zone plastique en fond de fissure

� H diffuse dans les régions de forte triaxialité

� H est piégé aux interfaces ferrite/perlite

� Formation de cavités puis croissance et

coalescence avec l’augmentation de la contrainte

appliquée

� Décohésion aux interfaces ferrite/ferrite

• Essais à potentiel cathodique / fractographie coupe métallographique


Discussion / Conclusion

D. G. Enos and J. R. Scully, Metal. and Mater. Trans. A, vol. 33, 2002.R. N. Parkins, M. Elices, V. Sanchez-Galvez, and L. Caballero, Cor. Sci., vol. 22 (5), pp. 379-405,1982.J. Toribio and E. Ovejero, J. of Mater. Eng. and Perf., vol. 9 (3), pp. 272-279, 2000.

� Aciers perlitiques tréfilés présentant une forte an isotropie microstructurale

� Sous régime cathodique:• Lamelle de cémentite = barrière à la diffusion de l’hydrogène.

Interface ferrite/cémentite =site de piégeage de l’hydrogène• Mecanisme « Hydrogen enhanced delamination »

� Sous régime anodique:• Fissure se propage perpendiculairement à la contrainte du fait de

contraintes locales élevées en fond de défaut.• Déviation de la fissure à la rencontre d’un « défaut »

microstructurale (lamelles de cémentite = barrière à la dissolution qui n’est plus effective dans ce cas)

� Rôle important de la microstructure dans l’amorçage et la propagation des fissures


Discussion / Conclusion

28%0%

• Rôle de la dissolution• Chemin de dissolution préférentielle nécessaire à la

formation de défauts critiques

• Rôle de l’hydrogène• Interactions hydrogène/plasticité => accélération de

la formation, croissance et coalescence des cavités• Hydrogène affaiblit les forces de cohésion

interatomiques facilitant les délaminations => mécanisme de type HEDE

• Rôle de la pré-déformation• Tortuosité du chemin de diffusion de l’hydrogène

diminué• « Percolation » des chemins de dissolution possibles

σ σ


Merci de votre attention

www.mines-stetienne.fr

Une école de l'Institut Mines-Télécom

Documents

Exposé 1518_Bosch