La demande croissante en énergie nécessite l'exploration de pétrole et de gaz dans des conditions plus difficiles. Ces systèmes de production exigent l'utilisation d'équipements forgés faits de nuances d'acier de plus haute résistance, comme les aciers inoxydables austéno-ferritiques (duplex). Ces composants tendent à présenter une perte de ductilité et de performance mécanique générale provoquée par l'hydrogène produit par p. ex. des systèmes de protection cathodique et des processus de corrosion. Les composants en aciers inoxydables duplex présentent une longue histoire d’endommagement par l'hydrogène à basse température provenant de diverses sources. Bien qui ce type de endommagement soit assez récurrent, diverses informations connexes restent à élucider, en raison de l'interaction complexe de l'hydrogène avec la microstructure et le caractère localisé de la production et du transport de l'hydrogène dans le matériau.Le présent travail vise à améliorer la compréhension physique de l'interaction entre l'hydrogène et la microstructure ainsi que les effets de différentes procédures de chargement d'hydrogène sur les propriétés mécaniques des composants forgés en acier inoxydable super duplex UNS S32750.Le développement d'une telle compréhension implique l'évaluation des effets de l'hydrogène sur les propriétés mécaniques du matériau au moyen d'essais de traction dans différents environnements riches en hydrogène. Basé sur des résultats d'essais de traction à vitesse de déformation faible, une relation quantitative entre la fragilisation provoquée par l'hydrogène gazeux et cathodique est proposée, et les effets possibles de la fragilisation par l’hydrogène provoquée par dislocations sont discutés.Des descriptions quantitatives et qualitatives du transport de l'hydrogène, incluant l'analyse des effets des différentes microstructures et voies de diffusion, et de sa position dans le réseau et dans la microstructure (ségrégation de l'hydrogène aux pièges) sont proposées. Ces descriptions sont obtenues en considérant les résultats de différentes techniques expérimentales: essais de perméation, spectroscopie de désorption thermique, spectroscopie de masse d'ions secondaires à temps de vol et diffusion de neutrons. / The increasing demand for energy requires the exploration of oil and gas at deeper water locations and on more severe conditions. These production systems have demanded the use of forged equipments made of higher strength steel grades, such as austenitic-ferritic (duplex) stainless steels. These components are more prone to exhibit loss of ductility and general mechanical performance caused by hydrogen generated e.g. by cathodic protection. Duplex stainless stainless steels components present a vast history of hydrogen damage at low temperatures, due to hydrogen derived from various sources. Even being this kind of damage fairly recurring, various related information remains to be elucidated, due to the complex interaction of hydrogen with the microstructure and localized character of hydrogen generation and transportation in the material. The present work aims to improve the physical understanding of the interaction between hydrogen and the microstructure as well as the effects of different hydrogen charging procedures on the mechanical properties of forged components made of the super duplex stainless steel grade UNS S32750.The development of such understanding involves the evaluation of the effects of hydrogen on the mechanical properties of the material through tensile tests in different hydrogen-rich environments. Based on results of slow-strain rate tensile tests, a quantitative relationship between embrittlement caused by gas hydrogen and cathodic charging is proposed, and possible effects of dislocation-assisted hydrogen transportation and embrittlement are discussed. Quantitative and qualitative descriptions of the hydrogen transportation, including analysis of the effects of different microstructures and diffusion paths, and of its position in the lattice and in the microstructure (hydrogen segregation to traps) are proposed. These descriptions are achieved considering results of different testing techniques: permeation tests, thermal desorption spectroscopy, time-of-flight secondary ion mass spectroscopy and neutron scattering.

Les aciers inoxydables duplex présentent une microstructure biphasée dans laquelle se mêlent austénite et ferrite. Leurs caractéristiques mécaniques élevées ainsi que leur bonne tenue en corrosion en font des candidats sérieux pour remplacer les aciers inoxydables austénitiques. Malheureusement, la faible forgeabilité de ces alliages rend la fabrication de tôles particulièrement critique. En effet, le phénomène de " crique de rive " est fréquemment rencontré au cours des étapes du laminage à chaud. Par conséquent, cela nécessite des opérations supplémentaires comme le découpage des rives, ce qui aboutit à une augmentation des coûts de production. Les différents facteurs influençant la ductilité à chaud de ces aciers sont passés en revue afin d'identifier " les zones d'ombres ". La synthèse bibliographique révèle deux zones d'ombres : d'une part, le manque d'un essai de ductilité à chaud permettant de discriminer différentes microstructures en terme de résistance à la propagation de fissure à haute température ; et d'autre part l'absence de données quantitatives concernant la partition de la déformation entre la ferrite et l'austénite lors des étapes de mise en forme à chaud. La méthode du travail essentiel de rupture a été appliquée à hautes températures. Il a été démontré que ce concept est fiable et discriminant pour quantifier la résistance à la propagation de fissure à haute température. Cette méthode permet également de générer un paramètre physique pertinent pour optimiser les microstructures par rapport à un mode de mise en forme donné. La technique conventionnelle de micro-grilles a été adaptée de manière à cartographier à haute température les déformations à l'échelle de la microstructure. Cette technique fournit en plus des résultats qualitatifs concernant les mécanismes de déformations, des données quantitatives à propos de la partition de la déformation entre la ferrite et l'austénite. Ces données peuvent être utilisées afin de valider les modèles qui prédisent le comportement à chaud des aciers duplex pendant les premières étapes du laminage à chaud. Les deux outils développés au cours de cette étude permettent de proposer des solutions pour éviter le phénomène de " crique de rives ".

En raison de leurs excellentes propriétés mécaniques, couplées à une bonne résistance à la corrosion par piqûres et à un coût modéré (basse teneur en nickel et en molybdène), les aciers inoxydables austéno-ferritiques (dits aciers inoxydables duplex) sont largement utilisés dans de nombreux secteurs industriels. Les aciers inoxydables duplex ont une microstructure complexe composée à proportion équivalente d’austénite et de ferrite. L’austénite ayant une composition chimique différente de celle de la ferrite, un film hétérogène se forme à la surface des aciers inoxydable duplex. Par ailleurs, les deux phases métalliques ayant des propriétés mécaniques différentes, un champ de contraintes hétérogènes est généré dans les grains. Sous certaines conditions, l’existence de gradients de contraintes peut conduire à des hétérogénéités du film passif. Dans cette étude, l’effet d’un vieillissement de longue durée dans un milieu contenant des chlorures sur la composition chimique du film passif a été tout d’abord étudié. Le comportement en corrosion de certains alliages duplex a été ensuite déterminé à partir d’essais TCP (détermination de la température critique de piqûration). Les résultats ont été analysés en tenant compte des informations obtenues précédemment. Après vieillissement, l’épaisseur du film passif et le rapport Cr/Fe ont significativement augmenté. La distribution des chlorures dans le film passif est hétérogène. Cette distribution a été reliée à la microstructure du matériau et au champ de contraintes résiduelles. Il a été montré qu’elle influence le comportement électrochimique du matériau. Le comportement en corrosion est ensuite analysé à l’aide des courbes de polarisation locales. Des critères métallurgiques ont été proposés pour l’amorçage de piqûres. / Duplex stainless steels (DSS) are highly important engineering materials, due to their generally high corrosion resistance combined with high strength and moderate alloy cost (lower nickel and molybdenum content). They are widely used in various industrial sectors. DSS have a complex microstructure with comparable volume of austenite and ferrite. Due to differences in chemical composition between austenite and ferrite, a heterogeneous passive film is formed on both phases. In addition, due to differences in mechanical properties, a heterogeneous stress field may be generated in metallic grains. Under certain conditions, these differences may also yield formation of a heterogeneous passive film. In this work, the influence of long-term ageing in chloride-containing media by on the chemical composition of the passive film was first studied by means of XPS and Auger at the microscale. The corrosion behaviour of some duplex stainless steels was then determined from CPT tests (determination of the critical pitting temperature). Results were analysed taking into account information obtained previously. After ageing, the thickness and the ratio Cr/Fe are significantly increased. The chloride distribution in the passive film was heterogeneous. It was related to the microstructure and the residual strain field. It was shown that this distribution modifies the electrochemical behaviour of samples. The corrosion behaviour was then analysed from local polarization curves and CPT tests. Metallurgical criteria for pitting were proposed.

Les aciers inoxydables duplex (DSS) sont caractérisés par une structure biphasée comprenant un mélange de ferrite et d’austénite. La proportion entre les deux phases est d'habitude environ 50 %. Ils sont de plus en plus employés dans les industries chimiques, pétrochimiques, nucléaires, marines et de papier, principalement en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques couplées à une bonne résistance à la corrosion par piqûre (basse teneur en nickel et molybdène). L’austénite ayant une composition chimique différente de celle de la ferrite, un film hétérogène se forme à la surface des aciers inoxydable duplex. Par ailleurs, les deux phases métalliques ayant des propriétés mécaniques différentes, un champ de contrainte hétérogène est généré dans les grains. Sous certaines conditions, l’existence de gradients de contraintes peut conduire à des hétérogénéités du film passif. Dans ce travail , on étudie l’effet des éléments d’alliages sur les propriétés physico-chimiques du film passif et le comportement en corrosion par piqures avant et après vieillissement en milieu chlorurés, pour une surface de référence respectant certains critères à savoir une surface lisse exempt de tout défauts (pas de couche écrouie, rugosité faible..). Les propriétés physico- chimiques du film sont étudiés à l’aide des analyses Auger et XPS à l’échelle locale et globale. Le comportement en corrosion des alliages duplex a été ensuite déterminé à partir d’essais TCP (détermination de la température critique de piqûration). Les résultats avant vieillissement ont montré que le film passif est homogène à l’échelle macroscopique et que l’amorçage des piqûres semblent être liée à la taille des grains et à la texture cristallographique décrit par le GOS. Après vieillissement de longue durée en milieu représentatif, les analyses de surface montrent un renforcement de la passivité par un épaississement du film passif, une augmentation significative du rapport Cr/Fe ce qui ont pour effet d’améliorer le comportement en corrosion par piqures des alliages. Des critères métallurgiques ont été proposés pour expliquer l’amorçage de piqûres pour ces alliages. / Duplex stainless steels (DSS) are characterized by a two-phase structure comprising a mixture of ferrite and austenite. The proportion between the two phases is usually about 50%. They are increasingly used in the chemical, petrochemical, nuclear, marine and paper, mainly because of their excellent mechanical properties coupled with good resistance to pitting corrosion (low grade nickel and molybdenum). The austenite having a different chemical composition than the ferrite, a heterogeneous film is formed on the surface of duplex stainless steels. Furthermore, the two metallic phases having different mechanical properties, a field of heterogeneous stress is generated in the grains. Under certain conditions, these differences may also yield formation of a heterogeneous passive film. In this work, we study the effect of alloying elements on the physico-chemical properties of the passive film and behavior pitting corrosion before and after ageing in chloride media for a reference surface that meet certain criteria ie a smooth surface free from any defects (no hardened layer .. low roughness). The physicochemical properties of the film are studied using Auger and XPS analysis at the microscale. The corrosion behavior of duplex alloys was then determined from CPT tests (determination of the Critical Pitting Temperature). The results before ageing have shown that the passive film is homogeneous on a macroscopic scale and that pitting corrosion appear to be related to the grain size and crystallographic texture described by GOS. After ageing, surface analysis shows a strengthening of passivity by thickening of the passive film and the ratio Cr/Fe are significantly increased which has the effect of improving behavior pitting alloys. Metallurgical criteria for pitting were proposed.