Corrosion intergranulaire d'aciers austénitiques sensibilisés : étude par la méthode d'automates cellulaires

Study of the intergranular corrosion of sensitized austenitic stainless steels by the cellular automata method

• Auteur / Autrice : Ferdinand Marti
• Direction : Dung Di Caprio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de chimie Paris - Institut de recherche de chimie Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de chimie (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Monique Gasperini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dung Di Caprio, Cécilie Duhamel, Jacques De Lamare
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Devos, Olivier Politano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automates cellulaires

Corrosion

Chimie analytique

Mots clés libres

Corrosion

Corrosion intergranulaire

Sensibilisation

Automates cellulaires

Corrosion

Intergranular corrosion

Sensitization

Cellular Automata

Résumé

La modélisation de la corrosion est un enjeu majeur, d'une part pour la compréhension fine des processus en jeu et d'autre part pour la quantification de leur impact sur le vieillissement et les dégradations subies par les matériaux à long terme. L'objectif principal de ce travail de thèse est de contribuer, via la modélisation par la méthode des automates cellulaires (AC), à comprendre le lien entre le comportement en corrosion et la microstructure des aciers sensibilisés. Ces derniers sont caractérisés par la présence en leur sein de zones déchromées, qui leur confèrent une sensibilité particulière à la corrosion intergranulaire (CIG) dans certains environnements agressifs.Dans une première étape, un modèle a été développé pour simuler des structures granulaires représentatives d'un acier à l'aide d'une tesselation de Voronoï. Dans une deuxième étape, le modèle a été adapté pour représenter de manière réaliste la microstructure caractéristique d'un acier sensibilisé, selon deux approches.Dans la première approche on se focalise sur le caractère plus ou moins propice à la sensibilisation des joints de grains (en rapport avec les travaux relatifs à la Grain Boundary Engineering (GBE), dont l'objectif principal est d'influer sur la distribution des énergies des joints de grain au sein des matériaux afin d'optimiser leur résistance à la CIG et/ou à la corrosion sous contraintes). On introduit dans un premier temps deux classes de joints de grains, respectivement de basse énergie (ie résistants à la CIG) et de haute énergie (non résistants), leur proportion étant un paramètre de l'étude. Dans un deuxième temps on raffine la description de la classe de joints de grains résistants en la décomposant en trois sous-classes de joints de grains de type CSL (Coincident Site Lattice). On caractérise les propriétés des réseaux de joints de grains obtenus, notamment sous l'angle de la résistance des jonctions triples.Dans la deuxième approche, on analyse le processus de sensibilisation en considérant la formation des carbures de chromes dans les joints de grains ainsi que la formation de zones déchromées en leurs voisinages. Les résultats obtenus sont analysés en termes de fraction (volumique ou linéaire) sensibilisée du réseau des joints de grains. Dans ce cadre, on s'est particulièrement intéressé à déterminer les seuils de percolation de la fraction des joints de grains de haute énergie, qui sont des paramètres critiques pour la corrosion intergranulaire.Enfin le comportement en CIG des aciers sensibilisés (selon chacune des deux approches) a été modélisé et étudié de manière paramétrique. Comparés aux résultats expérimentaux et modèles théoriques existants dans ce domaine, ces modélisations par la méthode des automates cellulaires permettent d'apporter un regard critique complémentaire à l'état des connaissances sur le sujet.

Modelling corrosion phenomena is a major challenge, on the one hand for a better understanding of the processes at play and on the other hand for the quantification of their impact on the ageing and the inflicted degradations on materials in the long run. The main objective of this doctoral work is to contribute, via the cellular automata (CA) modelling, to the understanding the link between the behavior in regards to corrosion and the microstructure of sensitized steels. These materials are characterized by the presence of chromium depleted zones in the vicinity of their grain boundaries, making them particularly prone to intergranular corrosion (IGC) in some aggressive environments.First, a modelling was developed granular microstructures of a steel in a representative way, using Voronoi tessellations. Then, the modelling was adapted to represent in a more realistic fashion the characteristic microstructure of a sensitized steel, according to two approaches. In one of them, the focus is put on the nature of the grain boundaries, which can be more or less susceptible to be sensitized, in relation with works of Grain Boundary Engineering (GBE). The main goal of GBE is to influence the energy distribution of materials to optimize resistance to phenomena such as IGC and/or stress cracking corrosion (SCC). In the other approach, we analyze the process of sensitization by considering the formation of chromium carbides inside the grain boundaries and the formation of chromium depleted zones at their vicinity.Lastly, the IGC behavior of the obtained sensitized steels was modelled and studied parametrically. In this study, we have determined percolation thresholds, which are parameters of interest for IGC and SCC. Compared to experimental results and theoretical models in this domain, these modelling by the cellular automata method can give a complementary critical look on the state of the art on the matter.