Influence de la déformation plastique sur la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable lean duplex UNS S32304

par Charles David

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Ricardo Nogueira et de Muriel Véron.

Le président du jury était Bernard Normand.

Le jury était composé de Muriel Véron, Fiona Ruel, Virginie Roche, Thiago Mesquita.

Les rapporteurs étaient Christine Blanc, Xavier Feaugas.


  • Résumé

    Les aciers inoxydables lean duplex sont des alliages de fer, de chrome et de nickel dans lesquels coexistent deux phases cristallographiques (austénite - γ et ferrite - α). Ces aciers présentent de très bonnes propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion, et trouvent leurs principales applications dans les domaines de l’exploration pétrolière offshore et du dessalement de l’eau de mer. Malgré ces excellentes propriétés, l’influence de la déformation plastique induite par les procédés de mise en forme sur la résistance à la corrosion de ces matériaux est encore peu comprise, et peut constituer un levier d’amélioration de ces alliages. Ainsi, cette étude a eu pour but de déterminer les paramètres de microstructure liés à la déformation plastique et pouvant impacter les réactions d’oxydation du métal et d’évolution de l’hydrogène, souvent liées aux phénomènes de corrosion des métaux en milieux acides. Le rôle de l’émergence des marches de glissement, conséquence en surface du glissement des dislocations dans le métal lors de la déformation plastique, a également été étudié. Des éprouvettes d’acier inoxydable lean duplex UNS S32304 ont été déformées en traction uniaxiale à des niveaux allant de 0% à environ 20%. Un groupe d’échantillons avec et un deuxième groupe sans présence de marches de glissement ont été préparés. Une étude des mécanismes de plasticité de l’acier inoxydable lean duplex distinguant chacune des phases et faisant intervenir notamment des caractérisations des structures de dislocations, des contraintes internes et des marches de glissement a été réalisée. Les vitesses de corrosion (oxydation) du métal et la réaction d’évolution de l’hydrogène (REH) ayant lieu à sa surface ont été étudiés par voie électrochimique en milieu acide chloruré. Il a été démontré que, en absence de marches de glissement, la déformation plastique de l’acier inoxydable lean duplex n’a pas d’effet détectable sur sa résistance à la corrosion dans les conditions de l’étude. Néanmoins, les marches de glissement générées à la surface du matériau pendant la déformation plastique impactent fortement les vitesses de corrosion. Cela est lié à une modification de la cinétique de la REH. Pour les faibles niveaux de déformation (jusqu’à environ 3%), les vitesses de corrosion ainsi que la cinétique d’évolution de l’hydrogène augmentent fortement (facteur d’environ 4), puis diminuent pour atteindre des valeurs proches de celles de l’état de référence vers 10% de déformation. Des essais sur des aciers monophasés à composition chimique proche de chacune des phases de l’acier inoxydable lean duplex ainsi qu’une technique électrochimique locale basée sur l’utilisation de microcapillaires ont confirmé le rôle joué par les marches. Après recoupement avec une simulation à partir de données tirées de la littérature, l’analyse pointe fortement vers une explication faisant intervenir la variation du travail de sortie des électrons de la surface en présence de marches et le rôle de l’émergence des plans denses (111).

  • Titre traduit

    Effect of plastic strain on the corrosion resistance of UNS S32304 lean duplex stainless steel


  • Résumé

    Lean duplex stainless steels are alloys basically composed of iron, chromium and nickel in which two cristallographic phases coexist (austenite - γ and ferrite - α). These steels present high mechanical properties and corrosion resistance, and find their main applications in the offshore oil exploration and water desalinization sectors. Despite the excellent properties, the effect of plastic strain induced by forming on the corrosion resistance of these materials is yet to be understood, and may represent an improvement lever for these alloys. This study had thereby the aim of determining the microstructure parameters related to plastic strain and that might have an impact on the oxidation reaction of the metal and on the hydrogen evolution reaction (HER), which are often connected to corrosion phenomena of metals in acidic environments. The role of the emergence of slip steps, which are the result at the surface of the sliding of dislocations inside the metal while it deforms plastically, were also studied. Specimens for tensile testing made from UNS S32304 lean duplex stainless steel were strained by interrupted uniaxial tensile testing at different levels ranging from 0% to approximately 20%. A group of specimens with and another group without presence of slip steps on the surface were produced. A study of the plasticity mechanisms of the lean duplex stainless steel was carried out. It mainly involved characterizations of structures of dislocations, internal stresses and slip steps. It distinguished the ferritic and austenitic phases. Corrosion rates (oxidation) of the metal and HER taking place at its surface were studied by electrochemical technique in acidic chloride medium. It was demonstrated that, in the absence of slip steps, plastic strain has no detectable effect on its corrosion resistance in the conditions of the study. Nevertheless, slip steps have shown a strong impact on corrosion rates. That was related to a modification of HER kinetics. For low stain levels (up to approximately 3%), corrosion rates as well as HER kinetics strongly increased (up to 4 times), and then decreased and reached values similar to the ones of the unstrained state at approximately 10% of strain. Tests on monophasic steels having chemical compositions similar to those of each phase of the lean duplex stainless steel have confirmed this important role played by steps. The same has been observed by a local electrochemical technique based on microcapillaries. After confrontation with a simulation based on literature, the analysis points to an explanation involving the electron work function of the surface presenting slip steps and to the role played by the emergence of (111) plans.


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