Corrosion intergranulaire : causes, détection et stratégies de prévention

Il existe de nombreux types de dommages par corrosion, tels que la corrosion uniforme et la piqûre, que l'on peut aisément observer à l'œil nu. Cependant, certains dommages ne sont pas visibles tout en étant préjudiciables à l'intégrité de la structure ou de l'équipement. Cet article examine de plus près l'un de ces types de corrosion moins visibles, appelé corrosion intergranulaire (CIG), en se concentrant sur la compréhension de son mécanisme, les matériaux affectés, les secteurs industriels concernés, ainsi que les méthodes de détection et d'atténuation.

Qu'est-ce que la corrosion intergranulaire (CIG) ?

La corrosion intergranulaire (CIG), parfois appelée attaque intergranulaire (AIG), est une corrosion localisée qui progresse le long des joints de grains (cristaux) ou immédiatement à leur proximité. En revanche, la majeure partie des grains reste largement intacte.

Bien que la perte de métal soit minime, la CIG peut provoquer la défaillance catastrophique d'un équipement. C'est une forme courante d'attaque sur les alliages en présence de milieux corrosifs, entraînant une perte de résistance et de ductilité. Il ne faut pas confondre CIG et fissuration par corrosion sous contrainte (FCC). La FCC nécessite des contraintes (résiduelles ou appliquées) agissant de manière continue ou cyclique dans un environnement corrosif, produisant des fissures suivant un chemin intergranulaire.

Figure 1. Attaque par corrosion intergranulaire sur tôle d'acier inoxydable austénitique laminée à froid. (Source : Antkyr, Creative Commons ShareAlike 3.0 Unported (CC BY-SA 3.0).)

Comment la corrosion intergranulaire (CIG) se forme-t-elle ?

La corrosion localisée aux joints de grains est causée par la dissolution anodique de zones affaiblies par les éléments d'alliage, la précipitation de secondes phases ou des régions contenant des éléments d'alliage ou d'impureté isolés. La partie restante de la surface exposée agit généralement comme cathode, et de grandes surfaces cathodiques soutiennent le processus de dissolution anodique.

Le rapport cathode/anode est généralement supérieur à un. Il dépend de facteurs tels que la fraction volumique et la distribution des phases électrochimiquement actives, la distribution des éléments d'alliage et d'impureté nuisibles, et la taille des grains.

La vitesse de corrosion dépend du mécanisme dominant, et des facteurs tels que la diffusion d'espèces vers ou depuis le front anodique peuvent gouverner la cinétique de dissolution. Une caractéristique significative de la CIG est le développement d'une profondeur d'attaque relativement homogène et uniforme. La dissolution des joints de grains entraîne le détachement des grains, souvent appelé « chute de grains ». La chute de grains est responsable de la majeure partie de la perte de masse observée après exposition à la CIG, et les vitesses de corrosion peuvent donc être plusieurs ordres de grandeur supérieures à celles de la corrosion générale.

Figure 2. Acier inoxydable corrodé près de la zone affectée thermiquement (ZAT) d'un soudage. (Source : Laboratoire d'ingénierie de la corrosion de la NASA.)

Matériaux couramment affectés par la corrosion intergranulaire

L'attaque intergranulaire concerne principalement certains types d'aciers inoxydables plutôt que les aciers au carbone. (Lecture connexe : Pourquoi l'acier inoxydable est résistant à la corrosion.) Cependant, les matériaux suivants ne sont pas exclus de l'attaque CIG.

• Les nuances austénitiques non stabilisées 304 et 316, utilisées dans les usines chimiques, sont sujettes à l'attaque CIG lorsqu'elles sont utilisées à l'état sensibilisé. La sensibilisation est causée par la précipitation de carbure de chrome aux joints de grains dans une zone adjacente aux soudures, où la température a été comprise entre 500 et 800 °C (932 - 1472 °F). (Pour plus de détails, voir Comment la fragilité à chaud et le soudage affectent la corrosion dans les métaux.)
• Les alliages nickel-cuivre (Alliage 400, UNS N04400) sont sujets à l'attaque CIG lorsqu'ils sont exposés à certains types de solutions d'acide fluorhydrique et d'acide chromique.
• L'attaque CIG peut se produire dans les alliages nickel-molybdène (Alliage B, UNS N10001) exposés à l'acide chlorhydrique et à l'acide sulfurique chauds, en raison de la précipitation de constituants riches en molybdène.
• Les alliages nickel-chrome tels que l'Alliage 600 sont sujets à l'attaque CIG. Par conséquent, ils ne sont pas destinés à être utilisés en service dans des environnements corrosifs.
• Les nuances d'aluminium 2024 et 7075 sont sujettes à l'attaque CIG car le CuAl₂ précipite aux joints de grains et agit comme cathode, accélérant la zone appauvrie adjacente au joint de grain. De plus, les nuances d'aluminium 5083 et 7030 sont également sensibles à la CIG.
• Le zinc (Zn) de haute pureté n'est pas sujet à la CIG. Cependant, l'aluminium en tant qu'élément d'alliage ou impureté dans l'alliage de zinc pourrait provoquer une attaque CIG.

Attaque intergranulaire des aciers inoxydables austénitiques

Avec les aciers inoxydables austénitiques, l'attaque intergranulaire résulte généralement de la précipitation de carbure de chrome (Cr₂₃C₆) aux joints de grains, ce qui produit une zone étroite d'appauvrissement en chrome au joint de grain. Cette condition est appelée sensibilisation (figure 3). La sensibilisation implique la précipitation de carbures de chrome aux joints de grains, résultant en une zone étroite d'appauvrissement en chrome au joint de grain.

Figure 3.

Comme le chrome est l'élément d'alliage principal qui confère à l'acier inoxydable sa résistance à la corrosion, les régions appauvries en chrome sont sujettes à une attaque corrosionnelle préférentielle. On pense que cela se produit parce que la teneur en chrome immédiatement adjacente au carbure peut être inférieure à celle requise pour l'alliage d'acier inoxydable. Si les carbures forment un réseau continu sur le joint de grain, la corrosion peut produire une séparation ou un espace au joint et une éventuelle chute ou perte de grains.

Méthodes pour détecter la corrosion intergranulaire

Généralement, la CIG progresse le long des joints de grains et est difficile à détecter à l'œil nu ou par toute technique d'inspection non destructive. Cependant, le matériau peut être testé pour sa résistance à la CIG avant la fabrication de l'équipement grâce à des méthodes de laboratoire spécifiques, telles que le test de Huey (utilisant une solution nitrique) ou le test de Strauss pour identifier la sensibilité de l'acier inoxydable à la corrosion intergranulaire. Le test de Streicher peut également être utilisé, qui repose sur une détermination quantitative de la perte de masse. De plus, la fissuration intergranulaire peut être observée lorsqu'un échantillon prélevé sur la zone défaillante est préparé métallographiquement et examiné au microscope électronique à balayage (MEB).

Méthodes d'atténuation pour prévenir l'attaque CIG des aciers inoxydables austénitiques nickel-chrome

La réalisation de traitements de recuit et de trempe appropriés en atelier de fabrication ou en aciérie réduira la sensibilité des aciers inoxydables et des alliages riches en nickel et chrome à la CIG. Lorsque ces traitements sont correctement effectués, les carbures, nitrures et carbures de molybdène de chrome dissous, ainsi que leurs formes de pré-précipitation, restent en solution pendant la trempe.

Dans les aciers inoxydables ferritiques (AISI Type 430, Type 446), la vitesse de diffusion du carbone est si grande que la précipitation des carbures de chrome ne peut être évitée, même par des trempes à l'eau rapides depuis des températures élevées de recuit. Cependant, la vitesse de diffusion du chrome dans ces alliages est également élevée. Il est possible de restaurer les zones appauvries en chrome entourant les précipités de carbure de chrome par des traitements thermiques près de 816 °C (1 500 °F). Le résultat est une microstructure contenant d'importants résidus de carbures, qui est immune à la CIG.

Figure 4. Traitement thermique des soudures de pipeline pour prévenir la corrosion intergranulaire. (Source : Berkut34 | Dreamstime.com)

Lorsque les alliages inoxydables sont soudés, la formation de carbures et nitrures de chrome peut être empêchée dans de nombreux cas en réduisant la teneur en carbone et en azote. L'introduction du procédé de décarburation argon-oxygène, de la fusion sous vide et du remoulage à l'arc consommable ont grandement influencé la prévention de la formation de carbures et nitrures de chrome dans les alliages AISI Type 304L, Type 316L, Alliages C-276 et C-4, et Fe-29%Cr-4%Mo.

La formation de carbures de chrome dans l'acier inoxydable peut être prévenue par l'ajout d'éléments titane (Ti) ou niobium (Nb). (Lecture connexe : Le rôle du chrome dans la corrosion intergranulaire.) Ces éléments se combinent avec le carbone et abaissent sa concentration de sorte que les carbures de chrome ne se forment pas lors de l'exposition dans la gamme de températures de sensibilisation pendant le soudage et le traitement de détente, et même en conditions de service. On les appelle alliages stabilisés, et ce sont : AISI Type 321 (Ti), AISI Type 347 (Nb), Alliage 20Cb-3 (Nb), Alliage 625 (Nb) et Alliage 825 (Ti).

Des dimensions différentes de pièces soudées et d'autres techniques de soudage (telles que des apports de chaleur plus faibles) peuvent réduire le degré de sensibilisation. Cependant, il n'est pas facile de maintenir un contrôle précis pour rendre cette approche généralement applicable.

Industries souvent affectées par la corrosion intergranulaire

La CIG peut survenir sur tout équipement fabriqué en acier inoxydable austénitique, alliage nickel-cuivre, alliage nickel-molybdène, alliage nickel-chrome, alliage d'aluminium et alliage de zinc dans toute industrie où les conditions favorables existent, ce qui signifie que si le matériau n'a pas subi de traitement thermique approprié et contient une teneur en carbone plus élevée (C > 0,03 %), il est sensible.

La corrosion intergranulaire peut entraîner une défaillance catastrophique sur la plupart des équipements de procédé si le bon matériau et le traitement thermique approprié n'ont pas été utilisés lors de la fabrication. La perte d'épaisseur de section transversale et l'introduction de fissures peuvent avoir de graves conséquences pour des applications comme la confinement sous pression.