High spatial resolution strain measurements at the surface of duplex stainless steels

International audienceThe determination of local strain fields at the surface of materials is of major importance for understanding their reactivity. In the present paper, lithography is used to fabricate grid points at the microscale and to map strain gradients within grains and between grains. This method was applied to duplex stainless steels which exhibit heterogeneous strain distributions under straining conditions. The influence of various parameters (the specimen microstructure, the density of slip bands, the number of systems activated and the grid geometry) on the strain value was discussed

ECAILLAGE LASER (INFLUENCE DE L'ENVIRONNEMENT SUR L'EXPULSION DE COUCHES D'OXYDES OBTENUES PAR OXYDATION A HAUTE TEMPERATURE. MECANISMES ET APPLICATIONS)

DIJON-BU Sciences Economie (212312102) / SudocSudocFranceF

Environment-Assisted Crack Initiation in Aluminum Alloys Studied by Local Probe Techniques

Environment-assisted crack initiation in aluminum alloys is strongly related to the physical and chemical reactivity of intermetallic particles (IMPs) whatever their location, i.e., at grain boundaries or in the matrix. Therefore, this paper first focuses on the most recent contribution of microscale local probe techniques to the study of processes occurring at the coarse IMPs that need to be taken into account in the initiation stage of environment-assisted cracking (EAC). A critical review of microscale electrochemistry, chemistry, and analysis of the influence of stress on IMPs leading to the microscale analysis of crack incubation is presented. Moreover, the contribution of hydrogen to the initiation of EAC remains a widely debated issue. Therefore, the second part of this paper more specifically reviews and summarizes the contribution of some specific local probe techniques to a better understanding of the contribution of hydrogen enrichment to environment-assisted crack initiation. The remaining challenges in future studies needed to fully elucidate hydrogen-assisted cracking mechanisms at the microscale are discussed

Contribution à la modélisation de la corrosion microstructurale des alliages d aluminium (définition d une méthodologie d étude des phénomènes de corrosion bimétallique)

L'amorçage et la propagation de la corrosion microstructurale des alliages d aluminium repose la plupart du temps sur le phénomène de corrosion bimétallique. Cette corrosion est due à l établissement d un couplage galvanique à l échelle locale entre les différentes phases contenues dans l alliage. La complexité des phénomènes de corrosion locale explique la difficulté de leur prédiction par les outils numériques. Le présent travail de thèse apporte une contribution nouvelle dans ce sujet en proposant de modéliser ce couplage grâce une méthodologie basée sur la complémentarité entre des techniques électrochimiques locales et la simulation de la corrosion bimétallique par éléments finis. D'un point de vue expérimental, la microcellule électrochimique à capillaire a été utilisée pour acquérir des données cinétiques électrochimiques relatives à un système bimétallique modèle millimétrique, composé d une électrode de 1199 et d une électrode de solution solide Al4%Cu. Ces données cinétiques ont été ensuite utilisées comme conditions aux limites pour la modélisation du couplage. Des essais S.V.E.T. (Scanning Vibrating Electrode Technique) permettent de valider les distributions de courant obtenues numériquement. L utilisation d un système modèle a permis de faire varier différents paramètres de simulation, en particulier la façon de prendre en compte l influence du pH sur l intensité de la dissolution de la phase la plus anodique. Les conditions les plus satisfaisantes ont été appliquées à un système plus réaliste composé d une particule intermétallique dite cathodique et couplée à la matrice de l'alliage d'aluminium concerné qui représente l'anode.The initiation and the propagation of aluminum alloys microstructural corrosion is mainly based on the bimetallic corrosion phenomenon. This type of corrosion is caused by galvanic coupling at a local scale between the different phases contained in the alloy. The description of the localized corrosion phenomenon has been largely studied. Their complexity can explain why they are so difficult to predict by the way of numerical tools and why the works that have been done on this subject are so scarce. The present thesis brings a new contribution to this field by suggesting a methodology based on the complementary use of local electrochemical techniques and the finite element simulation of bimetallic corrosion. From an experimental point of view, the capillary electrochemical microcell has been used to get electrochemical kinetic data that are specific to a millimetric bimetallic model system, composed of an electrode of 1199 and an electrode of a-Al4%Cu solid solution. These kinetic data were then used as boundary conditions for the modeling of coupling. S.V.E.T. (Scanning Vibrating Electrode Technique) measurements enable the validation of the numerically obtained current distributions. The use of a model system allowed us to modify several parameters used for simulation, and particularly the type of boundary conditions and the way to take into account the influence of pH on the extent of the anodic phase dissolution. The more satisfying conditions have then been applied to a more realistic system composed of an intermetallic particle, with a cathodic behavior, embedded in the matrix of the concerned aluminum alloy, which has an anodic role.DIJON-BU Sciences Economie (212312102) / SudocSudocFranceF

Modélisation et simulation numérique de la propagation de la corrosion par piqûres du fer en milieu chloruré (contribution à l'évaluation de la durabilité des aciers au carbone en conditions de stockage géologique)

Cette étude porte sur la compréhension des mécanismes de la corrosion par piqûres susceptible d affecter les aciers au carbone prévus pour le stockage des déchets radioactifs. Des modèles de transport/réaction ont été développés pour simuler, par la méthode des éléments finis, la propagation d une piqûre à la surface du fer en milieu chloruré. Pour les modèles conservatifs, la piqûre est activée par un potentiel imposé au métal. A partir de différentes études paramétriques (géométrie, environnement ), les simulations ont permis d identifier les facteurs critiques responsables d un accroissement ou d une inhibition de la vitesse de corrosion localisée. Par ailleurs, les essais sur des électrodes occluses, dites lead-in-pencil , confirment que le confinement favorise la précipitation d un film salin en fond de piqûre. Enfin, la simulation de situations de couplage entre la piqûre et la surface cathodique externe a permis de décrire l évolution réaliste de la vitesse de corrosion localisée en milieu aéré et en potentiel libre. L analyse des résultats de ces trois axes démontre que la chute ohmique dans la piqûre est le facteur contrôlant sa progression. Dans la majorité des cas, toute augmentation de cette chute ohmique (due à la précipitation, au confinement ou à l augmentation du rapport des surfaces cathodique/anodique), conduit à une vitesse de corrosion plus rapide des surfaces externes. Ce phénomène est qualifié d évasement . La croissance en profondeur, pour une vitesse d oxydation dépendante du pH, reste à confirmer. Pour simuler le comportement à long terme du fer vis-à-vis de la piqûration, dans les conditions de stockage, les nouveaux modèles devront reposer sur la détermination plus précise de l environnement et des lois de dissolution et de précipitationThis study deals with the understanding of the mechanisms of pitting corrosion susceptible to occur on carbon steel selected for high level nuclear waste containers. Transport/reaction models have been developed in order to simulate, by finite element method, the propagation of a pit on iron in chlorinated medium. For conservative models, pit is activated by imposing a potential on metal. Thanks to different parametric studies (geometry, environment ) simulations have permitted to classify, by severity order, the factors responsible of the increase or the inhibition of the localized corrosion rate. Otherwise, experiments on occluded (called lead-in-pencil ) electrodes confirm that confinement favors the formation of a salt film at the bottom of the pit. Finally, the simulation of galvanic coupling between the pit and the surrounding cathodic surface has permitted to describe the realistic evolution of the localized corrosion rate in aerated medium and for free corroding conditions. The analysis of the results from these three ways of investigation has demonstrated that the ohmic drop inside the pit is the most important factor controlling his growing. In most study cases, any increase of this ohmic drop (due to precipitation, confinement or augmentation of the cathodic /anodic surfaces ratio), leads to a faster corrosion rate of the surrounding surface. This phenomenon is called opening of the pit. The progression at the pit bottom for a pH-dependant oxidation rate is still to confirm. In order to simulate the long term behavior of iron during pitting, in storage application, new models require a more accurate determination of the environment conditions, dissolution and precipitation lawsDIJON-BU Doc.électronique (212319901) / SudocSudocFranceF

Contribution à l'étude des propriétés physico-chimiques des surfaces modifiées par traitement laser (application à l'amélioration de la résistance à la corrosion localisée des aciers inoxydables)

Les matériaux métalliques sont utilisés dans des conditions de plus en plus sévères et doivent présenter une parfaite intégrité sur des périodes de plus en plus longues. L objectif de ce travail de thèse est d évaluer le potentiel d'un traitement de refusion laser pour améliorer la résistance à la corrosion d'un acier inoxydable de type 304L ; l utilisation du laser dans le domaine des traitements de surface constituant un procédé en pleine évolution à cause des changements récents dans la technologie des lasers. Dans le cadre de ce travail, le choix du laser s est porté sur un laser nano-impulsionnel à fibre dopée ytterbium dont les caractéristiques permettent la fusion quasi-instantanée sur quelques microns de la surface traitée, immédiatement suivie d'une solidification ultra-rapide avec des vitesses de refroidissement pouvant atteindre 1011 K/s. La combinaison de ces processus favorise l'élimination des défauts surfaciques, la formation de phases hors équilibre, la ségrégation d éléments chimiques et la formation d une nouvelle couche d oxyde dont les propriétés sont gouvernées par les paramètres laser. Afin de les corréler avec la réactivité électrochimique de la surface, l influence de deux paramètres laser sur les propriétés physico-chimiques de la surface a été étudiée : la puissance du laser et le taux de recouvrement des impacts laser. Pour clarifier ces relations, la résistance à la corrosion par piqûration des surfaces traitées a été déterminée par des tests électrochimiques. Pour des paramètres laser spécifiques, le potentiel de piqûration d'un acier inoxydable de type 304L augmente de plus de 500 mV traduisant ainsi une meilleure tenue à la corrosion localisée en milieu chloruré. L interdépendance des différents phénomènes résultant du traitement laser a rendu complexe la hiérarchisation de leur effet sur la sensibilité de l alliage testé. Cependant, il a été montré que la nature de l oxyde thermique formé au cours de la refusion laser et ses défauts sont du premier ordre pour l amorçage des piqûres.Metallic materials are more and more used in severe conditions with particularly strong request for improving their behavior in aggressive environment and especially over long periods. The objective of this PhD work is to estimate the potentiality of a laser surface melting treatment on the improvement of the stainless steel 304L corrosion resistance, surface treatments by laser can be revisited on the basis of a recent change in the laser technology. In the frame of this work, a nano-pulsed laser fiber was chosen : it allows the treated surface to be melted for few microns in depth, followed by an ultra-fast solidification occuring with cooling rates up to 1011 K/s. The combination of these processes leads to the elimination of the surface defects, the formation (trapping) of metastable phases, the segregation of chemical elements and the growth of a new oxide layer which properties are governed by the laser parameters. To correlate these latter to the electrochemical reactivity of the surface, the influence of two laser parameters on the physico-chemical properties of the surface was studied : the laser power and the overlap of the laser impacts. To support this approach, the pitting corrosion resistance of the samples was determined by standard electrochemical tests. For specific laser parameters, the pitting potential of a 304L stainless steel was increased by more than 500 mV corresponding to an important enhancement in localized corrosion resistance in chloride environment. The interdependence of the different phenomena resulting from the laser treatment lead to a quite complex prioritization of their role on the sensibility of the 304L. However, it was demonstrated that the nature of the thermal oxide formed during the laser surface melting and the induced defects are first-order parameters for the initiation of pits.DIJON-BU Doc.électronique (212319901) / SudocSudocFranceF

Influence des contraintes résiduelles sur la corrosion par piqûres des aciers inoxydables austéno-ferritiques (approche mécanique et électrochimique à l'échelle locale)

DIJON-BU Sciences Economie (212312102) / SudocSudocFranceF

Etude de l oxydation de l aluminium induite par traitement laser Nd :YAG (1064 nm, 10 ns) (conséquences sur les propriétés d adhérence d un revêtement d alumine élaboré par projection thermique)

Le procédé PROTAL® permet la combinaison du nettoyage par impulsion laser (10 ns) d une surface métallique et le dépôt instantané par projection thermique d un revêtement protecteur. Si la validation technologique est bien avancée, les états physiques et chimiques des surfaces, après décapage et avant dépôt sont encore mal compris. Lors du nettoyage laser d une surface métallique à l ambiante, une oxydation liée à l échauffement transitoire peut se manifester permettant de modifier les propriétés d adhésion de la surface métallique. L objectif de cette étude est de mettre en évidence ce phénomène pour un substrat d aluminium et d en évaluer l impact sur l adhérence d un revêtement d Al203 élaboré par projection plasma. Le couplage de plusieurs techniques d analyses de surface a permis de caractériser les mécanismes d oxydation induits par l irradiation laser. Ceux-ci ont été reliés à l amélioration de l adhérence du dépôt d alumine mis en évidence par la méthode laser-ultrasons .The PROTAL® allows combining the laser cleaning with short pulses (10 ns) of a metallic surface with a step of thermal spraying. The technology is well advanced but the chemical and physical states of the surface after laser irradiation and before coating are still misunderstood. During laser cleaning of a metallic surface in ambient atmosphere, a limiting oxidation can occur due to transient heating and modify the adhesion properties of this surface. The aim of this study was to highlight this phenomenon and to assess its influence on the adherence of Al2O3 plasma sprayed coating. The oxidation mechanisms induced by laser irradiation were characterized using several surface analysis techniques. These mechanisms were then correlated with adherence improvements of the alumina coating using the laser-ultrasonic method.DIJON-BU Sciences Economie (212312102) / SudocSudocFranceF

Modélisation et micro-analyse in-situ des processus de corrosion localisée des aciers inoxydables

La quasi-totalité des travaux dédiés à l'étude de la corrosion localisée des aciers inoxydables est basée sur l'observation du courant total de l'échantillon. Nous savons aujourd'hui que cette démarche handicape sérieusement la modélisation du phénomène par l'impossibilité : de résoudre spatialement l'origine des évènements électriques enregistrés, d'atteindre les effets de couplage galvanique entre les sites d'attaque et le film environnant. Ce travail a donc pour objectif d'appliquer une sonde locale de courant telle que la SVET (Scanning Vibrating Electrode Technique) afin d'analyser les différents phénomènes liés à l'amorçage et à la propagation d'une piqûre. Dans un premier temps, une analyse des performances et des limitations de la technique SVET a été réalisée. La résolution spatiale de la SVET a été testée et des expériences réalisées sur des systèmes qualifiés de " modèle " ont mis en évidence la difficulté de relier les mesures faites à une certaine distance de la surface aux processus électrochimiques existants à la surface. La deuxième partie de cette étude a consisté à adapter la SVET à l'étude de la corrosion par piqûre. Pour cela, une méthodologie complète a été développée comprenant l'activation d'un site unique de corrosion par injection chimique au voisinage d'une inclusion de sulfure de manganèse (MnS) et l'analyse in-situ par SVET des phénomènes électrochimiques présents au voisinage du site de corrosion. Ces observations sont complétées par des analyses Auger et des images AFM fournissant une description chimique et morphologique de l'interface inclusion-matrice. Un mécanisme d'amorçage et de propagation d'une piqûre prenant en compte ces résultats, qui ont révélé le rôle prépondérant joué par les espèces soufrées dans le processus de piqûration, a été proposé.DIJON-BU Sciences Economie (212312102) / SudocSudocFranceF