Corrosion intergranulaire en acier inoxydable: Causes & Correctifs

Acier inoxydable est choisi pour sa résistance à la corrosion. Pourtant, sous certaines conditions, il peut subir une forme cachée et dangereuse d'attaque localisée: corrosion intergranulaire (IGC).

La surface peut toujours paraître brillante et propre. Les grains eux-mêmes peuvent être en grande partie intacts. Mais les limites des grains (les zones étroites entre les grains) ont été dissoutes de manière sélective..

La résistance et la ductilité chutent fortement, et le composant peut tomber en panne soudainement et de manière fragile.

J'ai vu cela dans des tuyaux soudés qui ont passé avec succès l'inspection visuelle puis se sont fissurés en service.. Je l'ai vu dans des échangeurs de chaleur qui avaient l'air bien jusqu'à ce qu'un test de pression ouvre un chemin de fuite le long d'un réseau intergranulaire..

L’IGC est un problème d’ingénieur en matériaux car il ne s’agit pas d’un problème esthétique de surface : il s’agit d’une perte d’intégrité structurelle à l’échelle microscopique..

1. Qu'est-ce que la corrosion intergranulaire en acier inoxydable?

Corrosion intergranulaire (IGC) est un phénomène de corrosion localisé dans lequel la corrosion attaque préférentiellement les joints de grains ou les régions étroites immédiatement adjacentes à ceux-ci., tandis que l'intérieur des grains reste relativement peu affecté.

Pour comprendre ce phénomène, it is important to recognize that stainless steel is composed of numerous microscopic crystals called grains.

Chaque grain a sa propre orientation cristallographique, et les interfaces entre grains adjacents sont appelées joints de grains.

Dans des conditions normales, les joints et les intérieurs des grains ont une résistance à la corrosion suffisamment similaire pour permettre à l'acier inoxydable de conserver son comportement protecteur passif.

Cependant, certains traitements thermiques ou conditions de service peuvent provoquer le développement de différences chimiques ou microstructurales le long de ces limites.

Lorsque les joints de grains deviennent électrochimiquement moins résistants que la matrice environnante, la corrosion progresse préférentiellement le long de ces régions étroites.

Caractéristiques clés de la corrosion intergranulaire

La corrosion intergranulaire présente plusieurs caractéristiques qui la distinguent des autres formes de corrosion de l'acier inoxydable.:

• Attaque sélective aux limites des grains: La corrosion progresse principalement le long des joints de grains plutôt que uniformément sur la surface métallique..
• Dommages superficiels visibles limités: La corrosion à un stade précoce peut ne pas produire de rouille évidente, décoloration, ou rugosité de surface.
• Perte d'intégrité mécanique: À mesure que les joints de grains se détériorent, les grains adjacents perdent leur force de liaison, réduire la ductilité, dureté, et capacité de chargement.
• Potentiel de propagation rapide: Lorsqu’un réseau continu de joints de grains sensibles se développe, la corrosion peut pénétrer plus profondément dans le matériau.
• Détection précoce difficile: L'inspection visuelle conventionnelle peut ne pas révéler les dommages, surtout pendant les premières étapes.

L'un des aspects les plus préoccupants de l'IGC est qu'un composant en acier inoxydable peut conserver un aspect externe apparemment acceptable alors que sa microstructure interne a déjà subi des dommages importants..

C'est pourquoi la corrosion intergranulaire est souvent considérée comme un mécanisme caché de défaillance des matériaux..

2. Le mécanisme principal: Théorie de l'épuisement du chrome

La résistance à la corrosion de l'acier inoxydable dépend principalement du chrome. Lorsqu'il est exposé à des environnements contenant de l'oxygène, le chrome réagit avec l'oxygène pour former un film extrêmement fin, écurie, et film passif adhérent riche en chrome sur la surface métallique.

Pour l'acier inoxydable conventionnel, une teneur en chrome d'environ 12 Un % en poids ou plus est généralement requis pour établir et maintenir un comportement inoxydable dans des conditions appropriées..

La corrosion intergranulaire peut se produire lorsque la concentration de chrome près des joints de grains tombe en dessous du niveau nécessaire pour maintenir un film passif stable..

Sensibilisation: Les carbures de chrome précipitent aux limites des grains

L'acier inoxydable austénitique présente généralement une bonne résistance à la corrosion lorsqu'il a subi un recuit de mise en solution approprié..

Un traitement typique en solution consiste à chauffer le matériau à environ 1 050-1 100°C., suivi d'un refroidissement rapide, généralement une trempe à l'eau ou une autre méthode de refroidissement qualifiée.

Pendant ce processus:

• Les carbures de chrome sont dissous dans la matrice austénitique.
• Le carbone est retenu dans une solution solide sursaturée.
• Le chrome est distribué plus uniformément dans tout le matériau.
• L'acier conserve sa capacité à former un film protecteur passif.

Cependant, lorsque le matériau est ensuite exposé à des températures comprises entre environ 450 et 850 °C, un phénomène appelé sensibilisation peut survenir.

Cette plage de température est communément appelée plage de température de sensibilisation..

Le processus métallurgique se développe comme suit:

Étape 1: Diffusion du carbone vers les joints de grains

Les atomes de carbone ont une diffusivité relativement élevée dans l'acier inoxydable austénitique.

Lorsque le matériau entre dans la plage de température de sensibilisation, les atomes de carbone migrent vers les joints de grains, où les précipitations sont énergétiquement favorables.

Étape 2: Précipitation de carbure de chrome

Le carbone réagit avec le chrome pour former des carbures riches en chrome, le plus souvent Cr₂₃C₆.

Ces carbures précipitent préférentiellement le long des joints de grains car ils fournissent des sites de nucléation favorables..

Étape 3: Consommation locale de chrome

La formation de carbures de chrome consomme le chrome de la matrice métallique environnante.

Puisque le chrome se diffuse beaucoup plus lentement que le carbone dans l'acier massif, la concentration en chrome près des joints de grains ne peut pas être reconstituée assez rapidement pour compenser la précipitation du carbure.

Par conséquent, des régions étroites appauvries en chrome se développent à côté des joints de grains.

Formation de zones appauvries en chrome

La zone appauvrie en chrome est la caractéristique microstructurale critique responsable de la corrosion intergranulaire classique liée à la sensibilisation..

Lorsque les carbures de chrome précipitent le long des joints de grains, la matrice adjacente perd du chrome.

Lorsque la concentration en chrome dans la région appauvrie tombe en dessous d'environ 12 Wt.%, sa capacité à maintenir un film passif stable devient considérablement altérée.

Les intérieurs en grain, qui retiennent suffisamment de chrome, continuent de présenter une résistance à la corrosion relativement bonne.

Cela crée une microstructure hétérogène composée de:

• Intérieurs en grains riches en chrome avec une passivité relativement forte.
• Le carbure de chrome précipite le long des joints de grains.
• Régions étroites appauvries en chrome adjacentes aux précipités.

La différence de résistance à la corrosion entre ces régions crée les conditions d’une attaque sélective aux limites des grains..

Il est à noter que 12 Le % en poids est une référence métallurgique pratique plutôt qu'un seuil absolu applicable à chaque environnement..

La passivation réelle dépend de la composition complète de l'alliage, chimie des solutions, température, et conditions électrochimiques.

Mécanisme électrochimique: Formation d'une cellule micro-galvanique

En milieu corrosif, la zone appauvrie en chrome et la matrice de grains ont des potentiels électrochimiques différents:

• Zone appauvrie en chrome: anodique, faible potentiel, facile à dissoudre.
• Matrice de grains: cathodique, riche en chrome, reste passif.

Le facteur critique est le rapport de surface. La zone appauvrie est très petite; la matrice des grains est très grande. Cela crée un grande cathode – petite anode condition.

La densité de courant anodique dans la zone appauvrie devient très élevée, et la corrosion pénètre rapidement le long des joints de grains.

Une fois le réseau frontalier attaqué, le dommage ne peut pas être réparé par le film passif. Le film d'oxyde ne peut pas combler un joint de grain dissous.

3. Autres mécanismes de corrosion intergranulaire

Bien que la théorie de l'appauvrissement en chrome explique la plupart des cas de corrosion intergranulaire dans l'acier inoxydable austénitique, cela ne tient pas compte de toutes les situations.

Sous certaines compositions de matériaux et conditions de service, deux mécanismes supplémentaires peuvent contribuer à l’attaque des limites des grains.

Théorie de la phase anodique

Certains composés intermétalliques, particulièrement sigma (un) et chi (x) phases, peut précipiter le long des joints de grains lors d'une exposition thermique.

Ces phases peuvent présenter un comportement électrochimique différent de celui de la matrice métallique environnante et peuvent agir comme sites anodiques préférentiels., entraînant une dissolution localisée.

Contrairement à l’épuisement conventionnel du chrome, ce mécanisme ne nécessite pas nécessairement la formation d'une zone appauvrie en chrome.

Plutôt, les phases intermétalliques elles-mêmes peuvent subir une attaque électrochimique préférentielle.

Ce mécanisme est plus communément associé à:

• Haute teneur en chrome, aciers inoxydables ferritiques à haute teneur en molybdène.
• Aciers inoxydables austénitiques soumis à un service prolongé à haute température.

Théorie de la ségrégation des limites des grains

La ségrégation aux limites des grains se produit lorsque des traces d'impuretés, comme le soufre (S), phosphore (P), et le silicium (Et), s'accumuler aux joints de grains pendant le traitement thermique ou une exposition prolongée à des températures élevées.

L'enrichissement de ces éléments peut altérer la composition chimique locale et les propriétés électrochimiques des joints de grains., réduisant leur capacité de passivation et augmentant leur susceptibilité à la corrosion sélective.

Ce mécanisme permet d'expliquer pourquoi certains aciers inoxydables à faible et ultra faible teneur en carbone peuvent encore subir une corrosion intergranulaire dans des conditions spécifiques..

Donc, la réduction de la teneur en carbone à elle seule n’élimine pas tous les risques de corrosion intergranulaire. Le contrôle des impuretés et la chimie des limites des grains doivent également être pris en compte lors de l'évaluation de la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable..

4. Causes courantes de corrosion intergranulaire dans les applications industrielles

Dans la fabrication réelle et le service industriel, la corrosion intergranulaire résulte rarement d’un seul facteur.

Composition du matériau, histoire thermique, processus de fabrication, et les environnements opérationnels peuvent interagir pour augmenter la vulnérabilité.

Les scénarios suivants sont parmi les causes les plus importantes à considérer.

Zone affectée par la chaleur du soudage (ZAT)

Le soudage est l’une des sources de sensibilisation les plus courantes dans l’acier inoxydable austénitique.

Pendant le soudage, le métal de base adjacent à la soudure subit un cycle thermique. En fonction de la distance à la ligne de fusion, différentes régions atteignent des températures maximales et des taux de refroidissement différents.

Certaines parties de la zone affectée par la chaleur peuvent entrer dans la plage de sensibilisation de 450 à 850°C..

Si le matériau reste dans cette plage suffisamment longtemps, les carbures de chrome peuvent précipiter le long des joints de grains.

Cela peut créer une zone étroite avec une résistance à la corrosion réduite de chaque côté de la soudure..

Dans certains aciers inoxydables stabilisés, un phénomène plus localisé appelé attaque au couteau peut se produire près de la limite de fusion.

Ceci est particulièrement associé aux qualités stabilisées telles que 321 et 347 sous histoires thermiques spécifiques.

Le risque est influencé par:

• Teneur en carbone du matériau de base.
• Apport de chaleur de soudage.
• Température entre passes.
• Taux de refroidissement.
• Nombre de passes de soudage.
• Composition du métal d'apport.
• Exposition thermique ultérieure.

Prévention:

• Utilisez des qualités à faible teneur en carbone telles que 304L ou 316L pour les composants soudés sensibles à la corrosion.
• Optimiser l’apport de chaleur de soudage pour éviter une exposition thermique inutile.
• Utiliser des procédures de soudage multi-passes appropriées.
• Contrôler la température entre les passes.
• Sélectionnez des consommables de soudage compatibles.
• Envisagez un recuit de solution après soudage lorsque la géométrie des composants et les exigences de service le justifient..

En bonne place, la simple réduction de l'apport de chaleur du soudage ne garantit pas l'élimination de la sensibilisation. Le cycle thermique complet, y compris le réchauffage par passages ultérieurs, doit être évalué.

Traitement thermique inapproprié

Le recuit de mise en solution est largement utilisé pour restaurer la résistance à la corrosion des acier inoxydable austénitique.

Cependant, un processus de traitement thermique mal contrôlé peut produire le résultat inverse.

Par exemple, si l'acier inoxydable austénitique est chauffé à environ 1 050-1 100 °C mais refroidi trop lentement, il peut rester suffisamment de temps dans la plage de températures de sensibilisation pour que la précipitation du carbure de chrome se produise.

De la même manière, maintenir le matériau entre 450 et 850 °C pendant une période prolongée peut favoriser la sensibilisation.

Les problèmes courants de traitement thermique comprennent:

• Température de recuit de solution insuffisante.
• Temps de maintien insuffisant.
• Refroidissement lent ou incontrôlé.
• Répartition inégale de la température du four.
• Dispositions de chargement incorrectes.
• Cycles thermiques répétés non qualifiés.

Prévention:

Utiliser une procédure de recuit de solution qualifiée basée sur la qualité de l'alliage, épaisseur de section, et la géométrie des composants.

Assurer un chauffage adéquat, uniformité de la température, et refroidissement suffisamment rapide dans la plage de sensibilisation.

Exposition à long terme à des températures élevées

Composants en acier inoxydable utilisés dans les échangeurs de chaleur, chaudières, fourneaux, réacteurs chimiques, et les équipements de production d'électricité peuvent subir une exposition thermique prolongée.

Même lorsque la température de fonctionnement est inférieure à la plage de sensibilisation maximale, une exposition à long terme peut encore favoriser des réactions de précipitation, en fonction de la composition de l'alliage et de l'historique thermique.

Par exemple, un fonctionnement prolongé à environ 400-600°C peut contribuer à des changements microstructuraux progressifs.

La réponse exacte dépend de la température, durée d'exposition, teneur en carbone, Éléments d'alliage, et historique des traitements antérieurs.

Ceci est particulièrement important pour les composants soumis à des cycles répétés de chauffage et de refroidissement..

Prévention:

• Sélectionnez des nuances d'acier inoxydable avec une stabilité thermique appropriée.
• Évaluez l’historique complet des températures de service.
• Évitez l'exposition thermique inutile pendant la fabrication et le fonctionnement.
• Envisagez des qualités stabilisées ou à faible teneur en carbone, le cas échéant.
• Effectuer une inspection périodique et une évaluation métallurgique des composants critiques.

Environnements de service corrosifs

La sensibilisation rend l'acier inoxydable plus vulnérable aux attaques intergranulaires, mais l'environnement environnant détermine si une corrosion importante se développe.

Certains environnements chimiques peuvent accélérer la dissolution des régions appauvries en chrome.

Les exemples incluent:

• Solutions d'acide sulfurique fort.
• Environnements acides nitriques dans des conditions spécifiques.
• Flux de processus contenant des chlorures.
• Solutions chimiques acides.
• Environnements aqueux à haute température.

Cependant, l'effet de chaque milieu dépend fortement de la concentration, température, aération, et potentiel électrochimique.

Ions chlorure, Par exemple, sont particulièrement associés à la corrosion par piqûres et fissures. Leur présence n’indique pas automatiquement une corrosion intergranulaire.

En pratique, une sensibilisation et d'autres mécanismes de corrosion localisés peuvent se produire simultanément, rendre l'analyse des échecs plus complexe.

Prévention:

Évaluer la composition chimique réelle et les conditions de fonctionnement du fluide de service avant de sélectionner la nuance d'acier inoxydable.

Pour les applications critiques, la qualification des matériaux doit inclure des essais de corrosion représentatifs de l'environnement de service prévu.

5. Comment réparer et prévenir la corrosion intergranulaire

Le terme « réparer » nécessite une clarification. Une fois la corrosion intergranulaire (IGC) a provoqué une dissolution importante des limites des grains, les dommages ne peuvent pas être réparés.

Un contrôle efficace se concentre donc sur la prévention de la sensibilisation et sur la restauration de l’état métallurgique du matériau avant que la corrosion ne se produise..

Utilisez des aciers inoxydables à faible teneur en carbone

Sélectionnez des qualités à faible teneur en carbone telles que 304L et 316L, avec une teneur en carbone de 0.03 % en poids ou moins.

Une teneur plus faible en carbone réduit les précipitations de carbure de chrome aux joints de grains, minimiser le risque d’épuisement du chrome.

Ces qualités sont largement utilisées pour les composants soudés et les applications impliquant des températures élevées..

Utiliser des qualités d'acier inoxydable stabilisées

Titane (De) et niobium (NB) se combiner préférentiellement avec le carbone pour former des carbures stables, réduisant la formation de carbures de chrome et aidant à maintenir le chrome dans la matrice environnante.

Les qualités stabilisées courantes comprennent:

• 321: Acier inoxydable stabilisé au titane.
• 347: Acier inoxydable stabilisé au niobium.

Ces nuances conviennent aux applications à température élevée et aux composants soudés pour lesquels le recuit de mise en solution après soudage n'est pas pratique..

Appliquer le recuit de solution

Le recuit de mise en solution implique généralement de chauffer l'acier inoxydable à environ 1 050–1 100 °C., suivi d'un refroidissement rapide.

Ce traitement dissout les carbures de chrome et ramène le chrome en solution solide, aidant à restaurer la résistance à la corrosion.

Il peut inverser la sensibilisation si aucune corrosion significative aux limites des grains ne s'est produite.. Cependant, il ne peut pas réparer les dommages de corrosion existants et peut s'avérer peu pratique pour les grandes structures soudées.

Optimiser les procédures de soudage

Les paramètres de soudage doivent être contrôlés pour minimiser l'exposition à la plage de sensibilisation de 450 à 850 °C.. Les pratiques recommandées comprennent:

• Utilisation contrôlée, apport de chaleur relativement faible.
• Appliquer un soudage multi-passes avec un contrôle de température inter-passes approprié.
• Sélectionnez des métaux de base à faible teneur en carbone ou stabilisés et des métaux d'apport compatibles.
• Évitez un préchauffage excessif et un refroidissement inutilement lent..
• Appliquer un recuit de solution après soudage lorsque cela est possible.

Conception des contrôles et conditions de service

Pour les aciers inoxydables sensibles à la sensibilisation, éviter autant que possible une exposition prolongée à des températures comprises entre 400 et 600 °C.

Sélectionnez des qualités à faible teneur en carbone ou stabilisées en fonction de la température de fonctionnement et de l'environnement corrosif.

Les conditions de service doivent également être prises en compte. Chlorures, acide sulfurique, et l'acide nitrique peut contribuer à la corrosion dans des conditions spécifiques.

Un drainage adéquat et l'évitement des zones stagnantes contribuent à réduire l'accumulation et la concentration de milieux corrosifs..

Inspecter et tester la corrosion intergranulaire

Pour les composants critiques, vérifier la résistance à l'IGC au moyen d'essais et d'examens métallurgiques appropriés. Les méthodes courantes incluent:

• ASTMA262: Pratiques standard pour évaluer la sensibilité aux attaques intergranulaires dans les aciers inoxydables austénitiques.
• Test de Strauss et test de Huey: Essais de corrosion spécifiques permettant d'évaluer la résistance à la corrosion intergranulaire.
• DL-EPR: Test de réactivation électrochimique potentiocinétique en double boucle pour évaluer la sensibilisation.
• Examen métallographique: Utilisé pour identifier les précipitations de carbures aux limites des grains et les changements microstructuraux associés.

Un point important est que la passivation ne peut à elle seule éliminer la sensibilisation.. Il permet de restaurer le film passif sur une surface correctement préparée, mais il ne peut pas reconstituer le chrome dans les régions appauvries des limites des grains.

6. Comment sélectionner la bonne nuance d'acier inoxydable pour minimiser la corrosion intergranulaire

Choisir la bonne nuance d’acier inoxydable nécessite d’évaluer la composition chimique du matériau, itinéraire de fabrication, processus de fabrication, et environnement de service.

Les recommandations suivantes constituent un point de départ pratique pour les applications industrielles courantes..

Plusieurs considérations importantes devraient guider la sélection finale:

• Température de fonctionnement: Évaluer à la fois les températures de fonctionnement normales et l'exposition thermique transitoire.
• Exigences de soudage: Déterminez si le composant fera l'objet d'un soudage ou d'une réparation importante..
• Milieu de corrosion: Identifier la concentration de chlorure, acidité, température, et conditions oxydantes.
• Géométrie des composants: Tenir compte de l'épaisseur de la section et de l'accessibilité au traitement thermique.
• Exigences d'inspection: Déterminer si un examen métallographique ou des tests de corrosion standardisés sont requis.
• Durée de vie: Évaluer les effets à long terme du vieillissement thermique et de l’exposition à la corrosion.

Pour les composants sous pression et critiques pour la sécurité, la sélection des matériaux doit être basée sur les codes de conception applicables, spécifications matérielles, et évaluations de la corrosion spécifiques au service.

7. Conclusion

La corrosion intergranulaire est un mécanisme de défaillance métallurgique qui peut sérieusement compromettre la fiabilité des composants en acier inoxydable..

Dans les aciers inoxydables austénitiques conventionnels, la cause la plus fréquente est la sensibilisation: l'exposition thermique provoque la précipitation des carbures de chrome le long des joints de grains, consommer du chrome des régions adjacentes et créer des zones appauvries en chrome.

Lorsque ces zones perdent leur capacité à maintenir un film passif stable, la corrosion progresse préférentiellement le long des joints de grains.

Cependant, l'épuisement du chrome n'est pas le seul mécanisme possible. Précipitation de phase intermétallique, ségrégation à la limite des grains, et les effets des environnements de service spécifiques doivent également être pris en compte lors de l'évaluation des défaillances par corrosion..

Pour les fabricants de pièces moulées de précision en acier inoxydable, la résistance à la corrosion doit être conçue dès le début de la production.

Composition chimique, fusion, solidification, traitement thermique, et les soudures de réparation contribuent toutes à l'état métallurgique final.

Et LangHe, notre approche du moulage de précision en acier inoxydable met l'accent sur la sélection des matériaux, processus de coulée contrôlés, traitement thermique approprié, et inspection pour soutenir la production de composants fiables pour les environnements industriels exigeants.

Qu'il s'agisse de fabriquer des corps de vannes en acier inoxydable sur mesure, composants de la pompe, échange, ou autres pièces moulées de précision, comprendre et contrôler la corrosion intergranulaire est essentiel pour obtenir des performances de matériaux et une fiabilité de produit à long terme.

 

FAQ

Qu'est-ce que la dégradation des soudures?

La dégradation des soudures est une corrosion intergranulaire dans la zone affectée thermiquement d'une soudure., provoquée par la sensibilisation lors des cycles thermiques de soudage.

L'acier inoxydable 304L et 316L empêche-t-il l'IGC?

Ils réduisent considérablement le risque car le carbone est retenu 0.03% ou ci-dessous, mais ils ne sont pas absolument à l'abri dans toutes les conditions.

Que sont 321 et 347 acier inoxydable utilisé pour?

Ce sont des grades stabilisés. Titane dans 321 et du niobium dans 347 combiner avec du carbone de préférence, réduire l'épuisement du chrome.

Le recuit en solution peut-il corriger la sensibilisation?

Il peut restaurer l'état métallurgique si les dommages dus à la corrosion ne sont pas trop avancés.. Il ne peut pas réparer les joints de grains déjà dissous.

La passivation corrige-t-elle la corrosion intergranulaire?

Non. La passivation restaure le film passif de surface mais ne peut pas restaurer le chrome dans une zone limite de grain appauvrie.