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L'acier 20MnTiB est le matériau le plus utilisé pour la boulonnerie à haute résistance des ponts à structure métallique en Chine, et ses performances sont essentielles à la sécurité d'exploitation de ces ouvrages. S'appuyant sur une étude de l'environnement atmosphérique de Chongqing, cette recherche a conçu une solution de corrosion simulant le climat humide de cette ville et a mené des essais de corrosion sous contrainte sur des boulons à haute résistance dans des conditions similaires. L'influence de la température, du pH et de la concentration de la solution de corrosion simulée sur le comportement à la corrosion sous contrainte des boulons en acier 20MnTiB a été étudiée.
L'acier 20MnTiB est le matériau le plus utilisé pour les boulons à haute résistance des ponts à structure métallique en Chine, et ses performances sont essentielles à la sécurité d'exploitation de ces ouvrages. Li et al. [1] ont étudié les propriétés de l'acier 20MnTiB, couramment utilisé dans les boulons à haute résistance de nuance 10.9, dans une plage de températures élevées allant de 20 à 700 °C. Ils ont ainsi déterminé la courbe contrainte-déformation, la limite d'élasticité, la résistance à la traction, le module de Young, l'allongement et le coefficient de dilatation. Zhang et al. [2], Hu et al. [3], etc., ont réalisé des analyses de composition chimique, des essais mécaniques, des analyses de microstructure, ainsi que des analyses macroscopiques et microscopiques de la surface du filetage. Leurs résultats montrent que la principale cause de rupture des boulons à haute résistance est liée aux défauts de filetage. L'apparition de ces défauts, de fortes concentrations de contraintes, de concentrations de contraintes en pointe de fissure et la corrosion à l'air libre sont autant de facteurs qui contribuent à la fissuration par corrosion sous contrainte.
Les boulons à haute résistance utilisés dans la construction de ponts en acier sont généralement employés pendant une longue période en milieu humide. Des facteurs tels qu'une forte humidité, des températures élevées, ainsi que la sédimentation et l'absorption de substances nocives présentes dans l'environnement peuvent facilement provoquer la corrosion des structures en acier. La corrosion peut entraîner une réduction de la section transversale des boulons à haute résistance, engendrant de nombreux défauts et fissures. Ces défauts et fissures continuent de s'étendre, réduisant ainsi la durée de vie des boulons à haute résistance et pouvant même provoquer leur rupture. À ce jour, de nombreuses études ont porté sur l'effet de la corrosion environnementale sur la résistance à la corrosion sous contrainte des matériaux. Catar et al.⁴ ont étudié le comportement à la corrosion sous contrainte d'alliages de magnésium à différentes teneurs en aluminium dans des environnements acide, alcalin et neutre par des essais de traction à vitesse de déformation lente (SSRT). Abdel et al.⁵ ont étudié le comportement électrochimique et la fissuration par corrosion sous contrainte d'un alliage Cu10Ni dans une solution de NaCl à 3,5 % en présence de différentes concentrations d'ions sulfure. Aghion et al.⁶ ont évalué la résistance à la corrosion d'un alliage de magnésium moulé sous pression MRI230D dans une solution de NaCl à 3,5 % par un essai d'immersion en milieu salin. Zhang et al.⁷ ont étudié le comportement à la corrosion sous contrainte de l'acier martensitique 9Cr par SSRT et par des techniques d'essais électrochimiques classiques, et ont déterminé l'influence des ions chlorure sur la corrosion statique de cet acier à température ambiante. Chen et al.⁸ ont étudié le comportement à la corrosion sous contrainte et le mécanisme de fissuration de l'acier X70 dans une solution de boue marine simulée contenant des bactéries sulfato-réductrices (BSR) à différentes températures par SSRT. Liu et al.⁹ ont utilisé le SSRT pour étudier l'influence de la température et de la vitesse de déformation en traction sur la résistance à la corrosion sous contrainte en eau de mer de l'acier inoxydable austénitique 00Cr21Ni14Mn5Mo2N. Leurs résultats montrent que la température, dans la plage de 35 à 65 °C, n'a pas d'influence significative sur le comportement à la corrosion sous contrainte de cet acier. L’étude 10 a évalué la susceptibilité à la rupture différée d’échantillons présentant différentes classes de résistance à la traction par un essai de rupture différée sous charge statique et un essai de traction sous contrainte statique (SSRT). Il est suggéré que la résistance à la traction des boulons à haute résistance en acier 20MnTiB et en acier 35VB soit maintenue entre 1040 et 1190 MPa. Cependant, la plupart de ces études utilisent une simple solution de NaCl à 3,5 % pour simuler le milieu corrosif, alors que l’environnement d’utilisation réel des boulons à haute résistance est plus complexe et comporte de nombreux facteurs d’influence, tels que le pH du boulon. Ananya et al. 11 ont étudié l’effet des paramètres environnementaux et des matériaux présents dans le milieu corrosif sur la corrosion et la fissuration par corrosion sous contrainte des aciers inoxydables duplex. Sunada et al. Douze essais de fissuration par corrosion sous contrainte à température ambiante ont été menés sur de l'acier SUS304 dans des solutions aqueuses contenant du H₂SO₄ (0-5,5 kmol/m⁻³) et du NaCl (0-4,5 kmol/m⁻³). Les effets du H₂SO₄ et du NaCl sur les types de corrosion de l'acier SUS304 ont également été étudiés. Merwe et al.¹³ ont utilisé le SSRT pour étudier les effets du sens de laminage, de la température, de la concentration en CO₂/CO, de la pression du gaz et du temps de corrosion sur la susceptibilité à la corrosion sous contrainte de l'acier A516 pour récipients sous pression. En utilisant une solution NS4 comme solution simulant les eaux souterraines, Ibrahim et al.¹⁴ ont étudié l'effet de paramètres environnementaux tels que la concentration en ions bicarbonate (HCO₃⁻), le pH et la température sur la fissuration par corrosion sous contrainte de l'acier de pipeline API-X100 après décollement du revêtement. Shan et al. Quinze études ont porté sur la variation de la sensibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte de l'acier inoxydable austénitique 00Cr18Ni10 en fonction de la température, sous différentes conditions de température (30 à 250 °C), dans un milieu d'eau noire simulant une centrale de production d'hydrogène à partir du charbon, par des essais de traction sous contrainte (SSRT). Han et al.¹⁶ ont caractérisé la sensibilité à la fragilisation par l'hydrogène d'échantillons de boulons à haute résistance à l'aide d'un essai de rupture différée sous charge statique et par SSRT. Zhao¹⁷ a étudié les effets du pH, des ions SO_42-^- et Cl^- sur le comportement à la corrosion sous contrainte de l'alliage GH4080A par SSRT. Les résultats montrent que plus le pH est faible, plus la résistance à la corrosion sous contrainte de l'alliage GH4080A est mauvaise. Cet alliage présente une sensibilité marquée à la corrosion sous contrainte induite par les ions Cl^-, mais est insensible aux ions SO_42-^- à température ambiante. Cependant, peu d'études ont porté sur l'effet de la corrosion environnementale sur les boulons à haute résistance en acier 20MnTiB.
Afin de déterminer les causes de la défaillance des boulons à haute résistance utilisés dans les ponts, l'auteur a mené une série d'études. Des échantillons de boulons à haute résistance ont été sélectionnés et les causes de leur défaillance ont été analysées sous l'angle de leur composition chimique, de la morphologie microscopique de la fracture, de la structure métallographique et des propriétés mécaniques^{19, 20}. S'appuyant sur l'étude de l'environnement atmosphérique de Chongqing menée ces dernières années, un protocole de corrosion simulant le climat humide de cette ville a été élaboré. Des essais de corrosion sous contrainte, de corrosion électrochimique et de fatigue-corrosion ont été réalisés sur des boulons à haute résistance dans ces conditions climatiques simulées. Dans cette étude, les effets de la température, du pH et de la concentration de la solution de corrosion simulée sur le comportement à la corrosion sous contrainte des boulons à haute résistance en acier 20MnTiB ont été étudiés au moyen d'essais de propriétés mécaniques, d'analyses macroscopiques et microscopiques de la fracture et d'analyses des produits de corrosion de surface.
Chongqing est située dans le sud-ouest de la Chine, dans le cours supérieur du fleuve Yangtsé, et bénéficie d'un climat subtropical humide de mousson. La température moyenne annuelle est de 16 à 18 °C, l'humidité relative moyenne annuelle se situe généralement entre 70 et 80 %, la durée d'ensoleillement annuelle est de 1000 à 1400 heures, et le pourcentage d'ensoleillement n'est que de 25 à 35 %.
D'après les rapports relatifs à l'ensoleillement et à la température ambiante à Chongqing entre 2015 et 2018, la température moyenne journalière y oscille entre 17 °C et 23 °C. La température maximale enregistrée sur la structure du pont Chaotianmen à Chongqing peut atteindre 50 °C^21,22. Par conséquent, les températures de référence pour le test de corrosion sous contrainte ont été fixées à 25 °C et 50 °C.
La valeur du pH de la solution de corrosion simulée détermine directement la quantité d'ions H+, mais cela ne signifie pas qu'un pH plus bas favorise la corrosion. L'influence du pH sur les résultats varie selon les matériaux et les solutions. Afin d'étudier plus précisément l'effet de la solution de corrosion simulée sur la résistance à la corrosion sous contrainte des boulons à haute résistance, les valeurs de pH des expériences de corrosion sous contrainte ont été fixées à 3,5, 5,5 et 7,5, en s'appuyant sur les données bibliographiques²³ et sur la plage de pH des eaux pluviales annuelles de Chongqing (2010-2018).
Plus la concentration de la solution de corrosion simulée est élevée, plus sa teneur en ions est importante et plus son influence sur les propriétés du matériau est grande. Afin d'étudier l'effet de la concentration de la solution de corrosion simulée sur la corrosion sous contrainte des boulons à haute résistance, un test de corrosion accélérée en laboratoire a été réalisé. La concentration de la solution de corrosion simulée a été fixée au niveau 4 (absence de corrosion), correspondant à la concentration initiale (1×), à 20× la concentration initiale (20×) et à 200× la concentration initiale (200×).
L'environnement à une température de 25 °C, un pH de 5,5 et une concentration de solution de corrosion simulée initiale est celui qui se rapproche le plus des conditions réelles d'utilisation des boulons haute résistance pour ponts. Cependant, afin d'accélérer le processus de test de corrosion, les conditions expérimentales suivantes ont été définies comme groupe témoin de référence : température de 25 °C, pH de 5,5 et concentration 200 fois supérieure à celle de la solution de corrosion simulée initiale. Lors de l'étude des effets respectifs de la température, de la concentration et du pH de la solution de corrosion simulée sur la résistance à la corrosion sous contrainte des boulons haute résistance, les autres facteurs restant constants. Ce groupe témoin de référence a ainsi été utilisé.
D’après le rapport sur la qualité de l’environnement atmosphérique 2010-2018 publié par le Bureau municipal de l’écologie et de l’environnement de Chongqing, et en se référant aux composants des précipitations rapportés dans Zhang24 et d’autres publications concernant Chongqing, une solution de corrosion simulée basée sur l’augmentation de la concentration en SO42- a été conçue. La composition des précipitations dans la principale zone urbaine de Chongqing en 2017 est présentée dans le tableau 1.
La solution de corrosion simulée est préparée par la méthode d'équilibre de concentration ionique chimique à l'aide de réactifs analytiques et d'eau distillée. La valeur du pH de la solution de corrosion simulée a été ajustée avec un pH-mètre de précision, une solution d'acide nitrique et une solution d'hydroxyde de sodium.
Afin de simuler le climat humide de Chongqing, le testeur de brouillard salin a été spécialement modifié et conçu²⁵. Comme illustré sur la figure 1, l'équipement expérimental comprend deux systèmes : un système de brouillard salin et un système d'éclairage. Le système de brouillard salin, élément principal de l'équipement, se compose d'une unité de contrôle, d'une unité de pulvérisation et d'une unité d'induction. L'unité de pulvérisation injecte le brouillard salin dans la chambre d'essai à l'aide d'un compresseur d'air. L'unité d'induction est composée d'éléments de mesure de température qui détectent la température à l'intérieur de la chambre d'essai. L'unité de contrôle, constituée d'un micro-ordinateur, relie les unités de pulvérisation et d'induction afin de piloter l'ensemble du processus expérimental. Le système d'éclairage, installé dans la chambre d'essai de brouillard salin, simule la lumière du soleil. Il est composé de lampes infrarouges et d'une minuterie. Parallèlement, un capteur de température est installé dans la chambre d'essai de brouillard salin pour surveiller en temps réel la température autour de l'échantillon.
Des échantillons de corrosion sous contrainte sous charge constante ont été préparés conformément à la norme NACETM0177-2005 (Essais en laboratoire de la résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte due aux sulfures et à la corrosion sous contrainte des métaux en milieu H₂S). Les échantillons ont d'abord été nettoyés à l'acétone et par ultrasons pour éliminer les résidus d'huile, puis déshydratés à l'alcool et séchés à l'étuve. Ils ont ensuite été placés dans la chambre d'essai du dispositif de brouillard salin afin de simuler les conditions de corrosion en climat humide de Chongqing. Conformément à la norme NACETM0177-2005 et à la norme d'essai au brouillard salin GB/T 10125-2012, la durée de l'essai de corrosion sous contrainte sous charge constante a été fixée à 168 h. Des essais de traction ont été réalisés sur les échantillons corrodés dans différentes conditions de corrosion à l'aide d'une machine d'essai de traction universelle MTS-810. Leurs propriétés mécaniques et la morphologie de leur rupture ont ensuite été analysées.
La figure 1 montre la macro- et la micro-morphologie de la corrosion de surface d'échantillons de corrosion sous contrainte de boulons à haute résistance dans différentes conditions de corrosion.2 et 3 respectivement.
Morphologie macroscopique d'échantillons de corrosion sous contrainte de boulons à haute résistance 20MnTiB dans différents environnements de corrosion simulés : (a) pas de corrosion ; (b) 1 fois ; (c) 20 × ; (d) 200 × ; (e) pH 3,5 ; (f) pH 7,5 ; (g) 50 °C.
Micromorphologie des produits de corrosion des boulons à haute résistance 20MnTiB dans différents environnements de corrosion simulés (100×) : (a) 1 fois ; (b) 20 × ; (c) 200 × ; (d) pH 3,5 ; (e) pH 7,5 ; (f) 50 °C.
On peut observer sur la figure 2a que la surface de l'échantillon de boulon haute résistance non corrodé présente un éclat métallique brillant sans corrosion apparente. Cependant, dans les conditions de la solution de corrosion simulée initiale (figure 2b), la surface de l'échantillon était partiellement recouverte de produits de corrosion beiges et brun-rouge, et certaines zones conservaient un éclat métallique évident, indiquant que seules certaines parties de la surface de l'échantillon étaient légèrement corrodées et que la solution de corrosion simulée n'avait eu aucun effet sur la surface de l'échantillon. Les propriétés du matériau ont peu d'influence. Cependant, à une concentration de solution de corrosion simulée 20 fois supérieure à la concentration initiale (Fig. 2c), la surface de l'éprouvette de boulon à haute résistance est entièrement recouverte d'une grande quantité de produits de corrosion beiges et d'une petite quantité de produits de corrosion brun-rouge. Aucun éclat métallique n'est visible, et une petite quantité de produits de corrosion brun-noir est présente près de la surface du substrat. À une concentration de solution de corrosion simulée 200 fois supérieure à la concentration initiale (Fig. 2d), la surface de l'échantillon est entièrement recouverte de produits de corrosion bruns, et des produits de corrosion brun-noir apparaissent par endroits.
Lorsque le pH a diminué jusqu'à 3,5 (Fig. 2e), les produits de corrosion de couleur beige étaient les plus présents à la surface des échantillons, et certains des produits de corrosion avaient été exfoliés.
La figure 2g montre que lorsque la température augmente jusqu'à 50 °C, la quantité de produits de corrosion brun-rouge à la surface de l'échantillon diminue fortement, tandis que des produits de corrosion brun clair recouvrent une grande partie de la surface de l'échantillon. La couche de produits de corrosion est relativement lâche et certains produits brun-noir se détachent.
Comme le montre la figure 3, sous différents environnements corrosifs, les produits de corrosion à la surface des éprouvettes de corrosion sous contrainte de boulons haute résistance 20MnTiB présentent un décollement marqué, et l'épaisseur de la couche de corrosion augmente avec la concentration de la solution de corrosion simulée. Dans les conditions de la solution de corrosion simulée initiale (Fig. 3a), les produits de corrosion à la surface de l'échantillon se divisent en deux couches : la couche externe, uniformément répartie, présente de nombreuses fissures ; la couche interne est constituée d'agrégats lâches de produits de corrosion. À une concentration 20 fois supérieure à celle de la solution de corrosion simulée initiale (Fig. 3b), la couche de corrosion à la surface de l'échantillon se divise en trois couches : la couche externe est principalement composée d'agrégats dispersés de produits de corrosion, lâches et poreux, offrant une faible protection ; la couche intermédiaire est une couche uniforme de produits de corrosion, mais fissurée, permettant aux ions corrosifs de traverser ces fissures et d'éroder le substrat ; La couche interne est une couche dense de produits de corrosion sans fissures apparentes, offrant une bonne protection au substrat. Dans des conditions de concentration de solution de corrosion simulée 200 fois supérieure à la concentration initiale (Fig. 3c), la couche de corrosion à la surface de l'échantillon peut être divisée en trois couches : la couche externe est une couche mince et uniforme de produits de corrosion ; la couche intermédiaire présente principalement des dépôts de corrosion en forme de pétales et d'écailles ; la couche interne est une couche dense de produits de corrosion sans fissures ni cavités apparentes, offrant une bonne protection au substrat.
On peut observer sur la figure 3d que dans l'environnement de corrosion simulé à pH 3,5, il existe un grand nombre de produits de corrosion floconneux ou aciculaires à la surface de l'échantillon de boulon haute résistance 20MnTiB. On suppose que ces produits de corrosion sont principalement du γ-FeOOH et une petite quantité d'α-FeOOH entrelacés26, et que la couche de corrosion présente des fissures évidentes.
On constate sur la figure 3f qu'à 50 °C, aucune couche de rouille interne dense et visible n'apparaît dans la structure de la couche de corrosion, ce qui indique la présence d'espaces entre les couches de corrosion à cette température. De ce fait, le substrat n'est pas entièrement recouvert de produits de corrosion, ce qui assure une protection contre l'augmentation de la tendance à la corrosion du substrat.
Les propriétés mécaniques des boulons à haute résistance soumis à une corrosion sous contrainte de charge constante dans différents environnements corrosifs sont présentées dans le tableau 2 :
Le tableau 2 montre que les propriétés mécaniques des boulons haute résistance 20MnTiB restent conformes aux exigences après le test de corrosion accélérée par cycles secs-humides dans différents environnements de corrosion simulés, malgré une certaine dégradation par rapport aux échantillons non corrodés. À la concentration initiale de la solution de corrosion simulée, les propriétés mécaniques restent stables. En revanche, à des concentrations 20× et 200× supérieures, l'allongement diminue significativement. Les propriétés mécaniques sont similaires pour ces deux concentrations. Lorsque le pH de la solution de corrosion simulée atteint 3,5, la résistance à la traction et l'allongement des échantillons diminuent fortement. À 50 °C, la résistance à la traction et l'allongement diminuent également significativement, tandis que le taux de retrait est très proche de la valeur standard.
Les morphologies de fracture des échantillons de corrosion sous contrainte de boulons à haute résistance 20MnTiB dans différents environnements de corrosion sont présentées sur la figure 4, qui sont la macro-morphologie de la fracture, la zone fibreuse au centre de la fracture, la lèvre micro-morphologique de l'interface de cisaillement et la surface de l'échantillon.
Morphologies de fracture macroscopiques et microscopiques d'échantillons de boulons à haute résistance 20MnTiB dans différents environnements de corrosion simulés (500×) : (a) pas de corrosion ; (b) 1 fois ; (c) 20 × ; (d) 200 × ; (e) pH 3,5 ; (f) pH 7,5 ; (g) 50 °C.
La figure 4 montre que la rupture de l'éprouvette de boulon haute résistance 20MnTiB soumise à la corrosion sous contrainte, dans différents environnements de corrosion simulés, présente une fracture typique en forme de coupe-cône. Comparée à l'éprouvette non corrodée (figure 4a), la zone centrale de la fissure dans la zone fibreuse est relativement petite, tandis que la zone de cisaillement est plus grande. Ceci indique que les propriétés mécaniques du matériau sont significativement altérées après corrosion. Avec l'augmentation de la concentration de la solution de corrosion simulée, les piqûres dans la zone fibreuse au centre de la fracture se multiplient et des lignes de déchirure importantes apparaissent. Lorsque la concentration atteint 20 fois celle de la solution de corrosion simulée initiale, des piqûres de corrosion importantes apparaissent à l'interface entre le bord de cisaillement et la surface de l'échantillon, et de nombreux produits de corrosion sont présents en surface.
Il ressort de la figure 3d que la couche de corrosion présente des fissures importantes à la surface de l'échantillon, ce qui compromet la protection de la matrice. Dans la solution de corrosion simulée à pH 3,5 (figure 4e), la surface de l'échantillon est fortement corrodée et la zone centrale des fibres est nettement réduite. On observe de nombreuses déchirures irrégulières au centre de cette zone. L'augmentation du pH de la solution de corrosion simulée entraîne une diminution de la zone de déchirure au centre de la fracture, ainsi qu'une réduction progressive de la taille et de la profondeur des piqûres.
Lorsque la température a atteint 50 °C (Fig. 4g), la zone de cisaillement de la fracture de l'échantillon était maximale, le nombre de piqûres dans la zone centrale des fibres augmentait significativement, de même que leur profondeur, et l'interface entre le bord de cisaillement et la surface de l'échantillon s'étendait. L'augmentation des produits de corrosion et du nombre de piqûres confirmait l'approfondissement de la corrosion du substrat illustré par la Fig. 3f.
Le pH de la solution corrosive altère légèrement les propriétés mécaniques des boulons haute résistance en 20MnTiB, mais cet effet reste mineur. Dans une solution de pH 3,5, de nombreux produits de corrosion floconneux ou aciculaires se déposent à la surface de l'échantillon, et la couche corrodée présente des fissures importantes, ne assurant plus une protection efficace du substrat. L'examen microscopique de la fracture de l'échantillon révèle des piqûres de corrosion marquées et une grande quantité de produits de corrosion. Ceci démontre que la résistance à la déformation sous contrainte est fortement réduite en milieu acide, et que la sensibilité à la corrosion sous contrainte est considérablement accrue.
La solution de corrosion simulée initiale n'avait que peu d'effet sur les propriétés mécaniques des échantillons de boulons à haute résistance. Cependant, lorsque sa concentration a été multipliée par 20, les propriétés mécaniques des échantillons ont été significativement altérées, et une corrosion importante est apparue dans la microstructure de la fracture : piqûres, fissures secondaires et présence de nombreux produits de corrosion. Lorsque la concentration de la solution de corrosion simulée a été multipliée par 20 à 200, son effet sur les propriétés mécaniques du matériau s'est atténué.
Lorsque la température de corrosion simulée est de 25 °C, la limite d'élasticité et la résistance à la traction des boulons haute résistance en acier 20MnTiB ne varient que très peu par rapport aux échantillons non corrodés. Cependant, à une température de corrosion simulée de 50 °C, la résistance à la traction et l'allongement de l'échantillon diminuent significativement, le taux de retrait de section est proche de la valeur standard, la lèvre de cisaillement à la rupture est maximale et des cupules apparaissent dans la zone centrale des fibres. La profondeur des piqûres, ainsi que la quantité de produits de corrosion et de piqûres de corrosion, augmentent considérablement. Ceci démontre que l'environnement de corrosion, combiné à la température, a une influence majeure sur les propriétés mécaniques des boulons haute résistance. Cette influence, peu marquée à température ambiante, devient beaucoup plus significative à 50 °C.
Après un essai de corrosion accélérée en laboratoire simulant l'environnement atmosphérique de Chongqing, la résistance à la traction, la limite d'élasticité, l'allongement et d'autres paramètres des boulons haute résistance en acier 20MnTiB ont diminué, et des dommages dus aux contraintes importants sont apparus. Le matériau étant soumis à des contraintes, un phénomène d'accélération localisée de la corrosion se produit. De plus, l'effet combiné de la concentration des contraintes et des piqûres de corrosion peut facilement provoquer des dommages plastiques importants sur les boulons haute résistance, réduisant ainsi leur capacité à résister à la déformation sous l'effet de forces extérieures et augmentant leur sensibilité à la corrosion sous contrainte.
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