Ce travail de thèse s’intéresse aux alliages à base nickel exposés au milieu primaire des réacteurs à eau pressurisée : ceux-ci, et en particulier, l’alliage 600, contenant environ 16% de chrome, montrent, en service, une sensibilité à un phénomène de corrosion localisée appelé corrosion sous contrainte (CSC). La corrosion sous contrainte aboutit, à terme, au développement de fissures intergranulaires nécessitant le remplacement des matériaux de structure. La compréhension de ces phénomènes constitue donc un enjeu majeur dans le cadre de la sûreté et du prolongement de la durée de vie des réacteurs, avec, également, des aspects économiques évidents. Le rôle de cette étude est d’apporter des éléments de compréhension quant au rôle de l’hydrogène dans ces phénomènes de corrosion sous contrainte. L’objectif de ce travail était double : d’une part, déterminer la source principale de l’hydrogène absorbé par l’alliage lors de exposition au milieu primaire, et d’apporter des éléments permettant de caractériser le mécanisme responsable de son absorption. D’autre part, un second objectif consistait à évaluer dans quelle mesure l’hydrogène absorbé par l’alliage pouvait jouer un rôle dans ces phénomènes de CSC, notamment, en regard de ses interactions possibles avec les défauts de structure du matériau. À cette fin, des techniques de traçage isotopique mises en œuvre lors de la corrosion de ces alliages en milieu primaire ont été utilisées, la pénétration des traceurs étant ensuite analysées par spectrométrie de masse d’ions secondaires. Ces analyses ont permis de montrer que l’hydrogène absorbé provenait principalement de la dissociation de la molécule d’eau lors de l’édification du film d’oxyde passif. Par ailleurs, la création de défauts de structure dans le matériau, et leur étude par annihilation de positons et microscopie électronique en transmission, après création ou après interaction avec l’hydrogène introduit par chargement cathodique, ont permis de caractériser les interactions de cet élément avec les défauts. Ces interactions sont importantes, et mènent à une réorganisation des défauts (coalescence, migration), mais sont transitoires, leur intensité dépendant de l’activité locale de l’hydrogène en solution. Ces résultats ont permis la proposition d’un nouveau modèle d’amorçage et de propagation des fissures de CSC. / Since the late 1960s, a special form of stress corrosion cracking (SCC) has been identified for Alloy 600 exposed to pressurized water reactors (PWR) primary water: intergranular cracks develop during the alloy exposure, leading, progressively, to the complete ruin of the structure, and to its replacement. The main goal of this study is therefore to evaluate in which proportions the hydrogen absorbed by the alloy during its exposure to the primary medium can be responsible for SCC crack initiation and propagation. This study is aimed at better understanding of the hydrogen absorption mechanism when a metallic surface is exposed to a passivating PWR primary medium. A second objective is to characterize the interactions of the absorbed hydrogen with the structural defects of the alloy (dislocations, vacancies…) and evaluate to what extent these interactions can have an embrittling effect in relation with SCC phenomenon. Alloy 600-like single-crystals were exposed to a simulated PWR medium where the hydrogen atoms of water or of the pressuring hydrogen gas were isotopically substituted with deuterium, used as a tracer. Secondary ion mass spectrometry depth-profiling of deuterium was performed to characterize the deuterium absorption and localization in the passivated alloy. The results show that the hydrogen absorption during the exposure of the alloy to primary water is associated with the water molecules dissociation during the oxide film build-up. In an other series of experiments, structural defects were created in recrystallized samples, and finely characterized by positron annihilation spectroscopy and transmission electron microscopy, before or after the introduction of cathodic hydrogen. These analyses exhibited a strong hydrogen/defects interaction, evidenced by their structural reorganization under hydrogenation (coalescence, migrations). However, thermal desorption spectroscopy analyses indicated that these interactions are transitory, and dependent on the local hydrogen activity in the bulk material. Finally, these results allowed a new model describing SCC crack initiation and propagation to be formulated.

Thèse doctorat : Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 190-203.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces : Poitiers : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 200 réf.

Thèse de doctorat : Sciences de la matière : Lille 1 : 2002. / Résumé en français et en anglais. Bibliogr. f. 175-184.

Les aciers inoxydables super martensitiques sont très utilisés dans le secteur pétrochimique, mais ils présentent des ruptures en service en conditions sévères. L'objectif de cette étude est d'apporter une meilleure compréhension du mécanisme de corrosion sous contrainte de ces matériaux en milieu H$_2$S. Pour cela, des coulées laboratoires ont été élaborées avec différentes teneurs en molybdène, élément connu pour améliorer la résistance à la corrosion. Ces ajouts d'éléments d'alliage impliquent alors une caractérisation fine de la microstructure, pour bien appréhender par la suite les mécanismes de rupture. Une attention particulière a été apportée à l'évolution de la fraction d'austénite et de ferrite résiduelle avec les traitements thermiques d'hypertrempe et de revenus qui sont couramment pratiqués sur ces nuances. Puis, par des mesures électrochimiques sans contrainte mécanique, l'ajout de molybdène a été identifiée comme bénéfique pour renforcer la passivité de la nuance dans le milieu H$_2$S. Et pour des teneurs en molybdène inférieures à 2,25%, des produits de corrosion ont été identifiés, principalement des sulfures de nickel, qui sont des inhibiteurs de la recombinaison de l'hydrogène. Par la suite, des essais de corrosion sous contrainte sous charge statique et dynamique couplés à des mesures d'impédance électrochimique montrent un effet bénéfique du molybdène et de l'austénite résiduelle. Le molybdène permet notamment de réduire les défauts du film passif. Un modèle d'éléments finis permet de simuler les essais de traction lente en tenant compte de la fragilisation par hydrogène. Afin de l'alimenter avec des paramètres expérimentaux, une cellule de perméation électrochimique a été montée et a permis de mesurer le coefficient de diffusion de l'hydrogène au sein de nos différentes coulées. Le modèle présente alors une bonne adéquation avec les résultats expérimentaux et une étude paramétrique a été réalisée sur le coefficient de diffusion et sur la concentration interfaciale en hydrogène. Enfin, une synthèse permet la proposition d?un mécanisme de corrosion sous contrainte comportant deux étapes : la résistance du film passif pour limiter l'absorption de l?hydrogène dans la matrice et le piégeage de l'hydrogène par l'austénite résiduelle en fonction de la déformation. / Super martensitic stainless steels are widely used in the oil and gas industry, but failures occurred in service under severe conditions. The aim of this study is to provide a better understanding of the stress corrosion mechanism in H$_2$S medium. For this purpose, laboratory heats have been casted with different molybdenum contents, a component known to improve corrosion resistance. These additions of alloying elements then involve a fine characterization of the microstructure, in order to grasp the mechanisms of rupture. Particular attention has been paid to the evolution of the retained austenite and residual ferrite fraction with the heat treatments of quench and annealing which are commonly practiced on these grades. Then, by electrochemical measurements without mechanical stress, the addition of molybdenum was identified as beneficial for the passivity of the grade in the H$_2$S medium. And for 2.25% molybdenum contents, corrosion products have been identified as mainly nickel sulfides, which are inhibitors of hydrogen recombination. Subsequently, corrosion tests under static and dynamic load coupled to electrochemical impedance measurements show a beneficial effect of molybdenum and residual austenite. In particular, molybdenum reduces the defects of the passive film. A finite elements model simulates the slow strain rate traction tests taking into account the hydrogen embrittlement. In order to use experimental parameters, an electrochemical permeation cell was implemented and used to measure the hydrogen diffusion coefficient within our different heats. A good match with the experimental results was obtained with this model and a parametric study was carried out on the diffusion coefficient and the hydrogen interfacial concentration. Finally, a synthesis provides the proposal of a stress corrosion mechanism divided in two steps: the passive film resistance to limit the hydrogen absorption in the matrix and the trapping of the hydrogen by the residual austenite in function deformation.

La Corrosion Sous Contrainte (CSC) est un des principaux modes de dégradation des composants assemblés par soudage dans Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). Le retour d’expérience de 2007 sur les soudures en alliage à base de nickel a présenté 3 cas de fissuration par CSC sur l’Alliage 82 sur les 300 cas recensés dans le circuit primaire. L’objectif de cette étude est alors d’identifier des paramètres microstructuraux et mécaniques à l’échelle de la microstructure impliqués dans l’amorçage de fissures. Les caractérisations du matériau pour identifier ces paramètres sont composées d’une part, d’analyses de la composition chimique et d’analyses EBSD (Electron Back-Scattered Diffraction) pour la morphologie et les orientations cristallographiques des grains pour la microstructure et, d’autre part, de mesures expérimentales de déformation en surface et de calculs numériques de champs de contrainte autour des joints de grains par éléments finis pour le comportement mécanique. La corrélation de ces informations avec les sites d’amorçage de fissures de CSC obtenus avec les essais d’amorçage entrepris sur des éprouvettes U-bend en milieu vapeur d’eau hydrogénée à 400°C, 188 bar a confirmé la sensibilité de l’Alliage 82 en CSC avec une fissuration intergranulaire des joints de grains dont la particularité première est d’être perpendiculaire à la sollicitation (mode I). Les autres paramètres concernent celui de la chimie locale au niveau des joints de grains, de leur nature (généraux ou spéciaux) et du chargement mécanique appliqué à ces derniers (contrainte et différence de déformation). Cette méthodologie, applicable à d’autre matériau, a permis de mieux comprendre quels sont les paramètres microscopiques sensibilisent la cohésion du joint de grains et à quels degré d’importance doivent-il être pris en compte dans le mécanisme d’amorçage de fissures de CSC. / In Pressurize Water Reactors (PWR), Stress Corrosion Cracking (SCC) is the mean degradation mode of components pieced together by welding. Nickel based alloys are, among others, used in dissimilar metal welding (DMW). International report showed only 3 cracking cases in Alloy 82 out of 300 cracking cases concerned on nickel based alloys DMW in primary water circuit. The aim of this study is to identify which microstructural and local mechanism parameters at microstructure scale provide the initiation of SCC cracks. Characterizations performed on specimen surface to identify those parameters are composed ofchemical composition analysis and EBSD analysis (Electron Back-Scattered Diffraction) to know the morphology and the crystallography of grains for microstructure features on one hand, and experimental strain fields measured by Digital Imaging Correlation (DIC) of gold microgrids deposed by electronic lithography on U-bend specimen surface and stress fields calculated along grains boundaries by finite element for local mechanical features on the other hand. The correlation between those characterizations and localization of initiation sites of SCC cracks, obtained on U-bend specimens tested in autoclave in hydrogen steam water at 400°C and 188 bar for 3500 hours, confirmed the susceptibility of the Alloy 82 in SCC conditions with intergranular SCC cracks. The perpendicular position to the loading direction (mode I) is the worst conditions for grains boundary in SCC. The others points concern the chemical composition (precipitation, impurities) around grain boundary and the grain boundary type which is more susceptible when it is a High Angle Grain Boundary. It is following by the mechanical characterization (stress and strain gradient) along grain boundary. This methodology can be used to other material and helped to define which microstructural and mechanical parameter can be define the initiation of SCC cracks.

Plusieurs composants présents dans les réacteurs à eau sous pression (REP) ont été fabriqués en alliage 600, un alliage base nickel contenant environ 16% de chrome. Le retour d’expérience, comme les études de laboratoire, montrent une sensibilité à la corrosion sous contrainte (CSC) de cet alliage en milieu primaire.Des études antérieures ont permis de développer un modèle d’amorçage basé sur une approche macroscopique et dépendant de différents paramètres tels que : la température, la contrainte et la microstructure du matériau. Cependant, ce modèle manque de robustesse car l’effet de la teneur en hydrogène dissous et l’effet de l’histoire de chargement mécanique ne sont pas considérés et les effets microstructuraux ne le sont que partiellement.Ces travaux de thèse ont comme objectif principal de développer un modèle local prévoyant le temps d’amorçage des fissures de CSC en fonction de paramètres locaux liés à la microstructure du matériau (précipitation intergranulaire), à l'environnement (température, et teneur en hydrogène dissous) et aux contraintes locales aux joints des grains. Cette étude comprend donc la caractérisation des matériaux (analyse chimique, microstructure et comportement mécanique) et la réalisation des essais d’oxydation et de corrosion sous contrainte, ainsi que leur interprétation.Le modèle local développé est basé sur des grandeurs physiques et enchaine les différentes étapes de CSC à savoir l’incubation, l’amorçage et la propagation des fissures. Pour construire ce modèle, nous avons considéré la formation de pénétrations d’oxyde aux joints de grains comme une étape-clé dans l’amorçage des fissures de CSC. Pour cela, une cinétique d’oxydation intergranulaire pour l’alliage 600 a été identifiée. De plus, un critère d’amorçage des fissures de CSC a été déterminé en couplant contrainte locale et profondeur d’oxydation intergranulaire critique. Enfin, l’étape de propagation des fissures a été modélisée à partir d’une base de données rassemblant les profondeurs de fissure atteintes en fonction du temps d’essai pour différentes conditions expérimentales. / Several components present in the primary circuit of Pressurized Water Reactors (PWR) of nuclear power plants were manufactured with Alloy 600, a nickel base alloy containing 16 wt.% chromium. Operating experience of PWRs and laboratory tests showed that Alloy 600 is susceptible to stress corrosion cracking (SCC).Previous studies have allowed developing an initiation model based on a macroscopic approach and depending on several parameters such as temperature, applied stress and material microstructure. However, this model suffers from a lack of accuracy: dissolved hydrogen content and mechanical loading history effects are not considered and the microstructure effects (such as intergranular precipitation) are only partially taken into account.The aim of this study is to develop a ‘local’ model predicting stress corrosion cracking initiation time, based on physical mechanisms and local parameters related to the material microstructure (intergranular precipitation), the environment chemistry (temperature and dissolved hydrogen content) and stress concentration at grain boundaries. The local model relies on a cracking scenario with three main steps: incubation, initiation and crack extension.The formation of intergranular oxide penetration was assumed to be a key step in SCC initiation. For this purpose, oxidation tests were performed in simulated primary water. The intergranular oxidation kinetics of Alloy 600 was studied and the effects of intergranular carbide precipitation, dissolved hydrogen content and temperature were investigated. In addition, a cracking criterion coupling a critical local stress and a critical intergranular oxide depth was estimated. Finally, a sigmoid crack growth law was used to simulate both the slow and fast propagation steps. The local model was validated using a database built from the results of SCC tests performed on Alloy 600 and gathering the crack depths reached as a function of test duration for different experimental conditions (material microstructure, loading conditions).

Nous avons développé une méthode originale de mesure par microscopie à force atomique (AFM) du glissement intergranulaire, sur des alliages sollicités à haute température et à de faibles vitesses de déformation, pour des essais de courte durée. Nous avons pu mesurer le glissement intergranulaire, selon sa composante hors-plan de la surface de l'éprouvette. La limite de détection du glissement intergranulaire est alors de 10 nm. Des essais de traction lente ou à charge imposée, à haute température (360°C à 700°C) et sous ultravide, ont été réalisés sur des éprouvettes plates et minces d'aciers inoxydables austénitiques et de superalliages base nickel. A l'issue de ces essais, la caractérisation du glissement intergranulaire par AFM montre que le glissement intergranulaire peut être activé dès la mise en charge, sur des amplitudes de plusieurs dizaines de nm. De plus, sur des essais courts, l'amplitude du glissement intergranulaire ne dépend pas de l'orientation de la trace du joint par rapport à la direction de sollicitation. En revanche, la désorientation est un paramètre déterminant sur la propension des joints à glisser. Nous avons également analysé par spectrométrie Auger la ségrégation intergranulaire sur deux alliages (un acier inoxydable austénitique 304H et un alliage base nickel X-750), préalablement sollicités en traction lente à haute température. Pour le 304 H, les ségrégations de S et P sont favorisées au voisinage des points triples. Pour l'alliage X-750, P ségrège en fond de cupules des facettes de grains microductiles, alors que S ségrège dans les zones riches en précipités. Les méthodes développées permettent d'étudier la corrélation entre deux ingrédients majeurs de l'endommagement à haute température : le glissement intergranulaire et la ségrégation fragilisante aux joints de grains. En particulier, une étude de la cinétique du glissement intergranulaire devrait permettre de valider comme indicateur de la sensibilité à l'endommagement à haute température en service, la mesure de marches de glissement intergranulaire suite à des essais courts. Cette méthode permet également d'envisager l'étude du rôle du glissement intergranulaire dans l'amorçage et la propagation des fissures de corrosion sous contrainte en milieu REP.

L’objectif de cette étude e est de comprendre le processus de déalliage de l’acier inoxydable austénitique 304L avec l’intention de transcrire ce raisonnement aux aciers duplex. Des essais ont été réalisés au sein d’une solution aqueuse désaérée d’hydroxyde de sodium à 50%, portés à une température de 80°C sous pression atmosphérique et à potentiel libre. - L’alliage 304L se dissout en formant une couche nanoporeuse riche en nickel métallique sur sa surface. - L’alliage 2202 se dissout et présente deux comportements différents : o la ferrite s’appauvrit en nickel o l’austénite se recouvre d’une couche nanoporeuse constituée de nickel métallique. o les deux phases ont des vitesses de dissolution distinctes, l’austénite se dissolvant plus rapidement que la ferrite. Les cinétiques de dissolution des deux alliages sont différentes : l’alliage 2202 présente une meilleure résistance à la corrosion que l’alliage 304L. Cependant l’austénite de l’alliage 2202 se comporte de manière identique à l’alliage 304L et présente les mêmes caractéristiques. La ferrite semble conférer à l’alliage duplex une protection contre la corrosion caustique au détriment de l’austénite.La mise en évidence de la couche du nickel métallique presque pur est confrontée avec des modèles existants de déalliage. Des expériences complémentaires ont prouvées la simultanéité des étapes de dissolution de l'alliage, de la redéposition des atomes de Ni et de leur réarrangement sur la surface. / The aim of this study is to understand the process of dealloying of austenitic stainless steel 304L with the intention to put this reasoning to the duplex steels. Tests were conducted in a deaerated aqueous solution of sodium hydroxide at 50%, heated to a temperature of 80°C at atmospheric pressure and free potential. • The alloy 304L is dissolved to form a nanoporous layer rich in nickel metal on its surface. • The alloy 2202 is dissolved and has two different behaviors: o Ferritic phase is depleted in nickel o Austenite is covered by a nanoporous layer consists of metallic nickelo The two phases have different dissolution rates: austenite dissolves faster than ferrite. Kinetic dissolution of two alloys is different: alloy 2202 has better corrosion resistance than alloy 304L. However, the behavior of the austenite of the alloy 2202 is identical to the alloy 304L and has the same characteristics. The ferrite appears to give the duplex alloy corrosion protection against caustic at the expense of austenite. The identification of the layer of almost pure metallic nickel is confronted with existing models of dealloying. Additional experiments proved the simultaneous steps of dissolution of the alloy, redeposition of Ni atoms and their rearrangement on the surface.

Les aciers inoxydables lean duplex, à faible teneur en nickel et sans molybdène, représentent une alternative économique pour les usines de dessalement et l’industrie pétrolière. Celles-ci ont la particularité d’être exposées à des milieux très agressifs dont la présence de chlorure, de sulfure d’hydrogène, de hautes températures ou encore d’acides peut provoquer des phénomènes de fissuration sous contrainte.Cette étude est divisée en deux parties, la première se consacre aux milieux purement chlorurés et la seconde aux milieux contenant du sulfure d’hydrogène. Dans les deux parties, la compréhension des phénomènes liés à la fissuration sous contrainte des lean duplex est effectuée sur la nuance S32304, puis est comparée aux comportements des nuances S32202 et S32101. L’influence des milieux bouillants sur la résistance à la fissuration des aciers inoxydables, les mécanismes de dépassivation et de dissolution sélective des lean duplex, les différents modes de fissuration en présence de sulfure d’hydrogène ou encore l’amorçage de la corrosion sous contrainte assistée par le sulfure d’hydrogène sont abordés dans ce rapport. / Lean duplex stainless steels, with low content of nickel and without molybdenum, represent an economic alternative for desalting plants and petroleum industry. For these uses, steel have the particularity to be exposed to very aggressive environments inducing phenomenon of Stress Corrosion Cracking as chlorides, hydrogen sulphur, high temperatures or acids.This study is divided in two parts dedicated to two different environments. The first part is devoted to chloride middles and the second to hydrogen sulphur middles. In both parts, the understanding of phenomenon linked to the stress corrosion cracking of lean duplex is studied on the grade steel S32304, then is compared to the behaviour of grade steels S32202 and S32101. The topics treated in this report are notably the influence of boiling environments on the cracking resistance of stainless steels, the mechanism of unpassivation and selective dissolution of lean duplex, the different modes of cracking in presence of hydrogen sulphur, and the initiation of stress corrosion cracking assisted by hydrogen sulphur