Pour les ingénieurs maritimes qui spécifient des thermoplongeurs électriques pour les plates-formes offshore, les systèmes de bord et les installations industrielles côtières, la combinaison du chargement mécanique cyclique et de la corrosion par les chlorures crée un mécanisme de défaillance particulièrement agressif appelé fatigue par corrosion. Contrairement à la fatigue pure dans l’air ou à la corrosion pure dans des conditions statiques, la fatigue par corrosion produit l’apparition de fissures à des amplitudes de contrainte nettement inférieures et des durées de cycle plus courtes. Les contraintes résiduelles introduites lors du processus de sertissage-utilisé pour compacter l'isolation en oxyde de magnésium autour du fil de résistance-interagissent avec les contraintes de service pour accélérer ou retarder la croissance des fissures en fonction de leur signe et de leur ampleur. Cet article quantifie comment l'épaisseur de paroi d'une gaine en acier inoxydable 316 affecte la répartition des contraintes résiduelles après rétreintage et comment ces contraintes résiduelles modifient la durée de vie en fatigue corrosion dans les environnements marins.
Génération de contraintes résiduelles lors du sertissage de 316 gaines
Lorsqu'un tube en acier inoxydable 316 est serti d'un diamètre plus grand à un diamètre plus petit autour du noyau rempli de MgO-, le processus induit un modèle de contrainte résiduelle caractéristique. La surface extérieure de la gaine subit des contraintes résiduelles de compression car les matrices de sertissage martelent le matériau vers l'intérieur, tandis que la surface intérieure subit des contraintes résiduelles de traction lorsque le MgO compacté pousse vers l'extérieur lors du retour élastique. L'ampleur de ces contraintes résiduelles dépend de l'épaisseur de la paroi par rapport à la réduction du diamètre. Pour une gaine à paroi mince-inférieure à 1,0 mm-la force de sertissage pénètre presque toute l'épaisseur de la paroi, produisant des contraintes de compression élevées sur la surface extérieure (généralement -200 à -300 MPa) et des contraintes de traction modérées sur la surface intérieure (+50 à +100 MPa). Pour une gaine à paroi épaisse-gaine-supérieure à 1,8 mm-la force de sertissage est absorbée principalement dans les couches externes, produisant des contraintes de compression élevées uniquement près de la surface externe tout en laissant les couches internes relativement peu affectées. Les contraintes de traction à la surface interne sont également plus faibles car le compactage du MgO est moins complet, comme discuté dans l'article 12. Les mesures par diffraction des rayons X des contraintes résiduelles dans les gaines 316 embouties confirment cette relation. Une gaine murale de 0,9 mm présentait une contrainte de compression superficielle de -280 MPa. Une gaine murale de 1,5 mm indiquait -180 MPa. Une gaine murale de 2,0 mm n'affichait que -120 MPa. La gaine plus fine emmagasine une contrainte de compression plus bénéfique au niveau de la surface extérieure, l'endroit où les fissures de fatigue par corrosion s'initient généralement.
Comment les contraintes de compression résiduelles retardent l’initiation des fissures par fatigue et corrosion
L'initiation de fissures de fatigue par corrosion dans l'acier inoxydable 316 nécessite à la fois une contrainte de traction cyclique et un électrolyte corrosif contenant des chlorures. La fissure commence au niveau d'une fosse ou d'une inclusion superficielle où le film protecteur passif s'est brisé. Si la surface est dans un état de contrainte de compression résiduelle, la contrainte de traction cyclique appliquée doit d'abord surmonter cette compression avant que le matériau ne subisse une tension nette au fond de la fissure. Cela augmente effectivement la contrainte seuil d’amorçage des fissures. Pour une gaine 316 de 0,9 mm avec une compression résiduelle de surface de -280 MPa, une contrainte cyclique appliquée de +200 MPa produit seulement -80 MPa net à la surface, toujours compressive et incapable d'initier une fissure de fatigue. Ce n'est que lorsque la contrainte cyclique appliquée dépasse +280 MPa que la surface subit une tension nette. En revanche, une gaine de 2,0 mm avec une compression de surface de seulement -120 MPa subit une tension nette lorsque la contrainte appliquée dépasse +120 MPa, un seuil bien inférieur. Les tests de fatigue par corrosion dans l’eau de mer synthétique à 60°C confirment cet effet. Les échantillons avec une épaisseur de paroi de 0,9 mm et une compression résiduelle élevée ont survécu à 10 millions de cycles à 250 MPa appliqués à une contrainte alternée sans initiation de fissure. Les échantillons avec une épaisseur de paroi de 2,0 mm et une faible compression résiduelle se sont rompus après 2 millions de cycles sous la même contrainte appliquée. La gaine plus fine offre une durée de vie à la fatigue par corrosion cinq fois plus longue malgré une épaisseur de paroi absolue inférieure.
Le compromis-entre l'avantage de contrainte résiduelle et la marge d'épaisseur de paroi
L'avantage de fatigue par corrosion des gaines à paroi mince- doit être mis en balance avec la marge de matériau réduite une fois qu'une fissure s'amorce. Une gaine de 0,9 mm avec une compression résiduelle élevée peut résister à l'initiation de fissures pendant des millions de cycles. Cependant, une fois qu'une fissure surmonte le champ de contraintes résiduelles-par exemple, en raison d'une grande piqûre superficielle ou d'une surcharge transitoire-, elle ne doit se propager qu'à travers 0,9 mm de matériau avant la perforation. Une gaine de 2,0 mm avec une compression résiduelle plus faible peut initier une fissure après moins de cycles, mais la fissure doit parcourir 2,0 mm pour provoquer une rupture. La durée de vie totale jusqu'à l'échec est la somme de la durée de vie d'initiation et de la durée de propagation. Les données expérimentales issues d'essais de fatigue-corrosion par poutre tournante dans de l'eau de mer à 60 °C montrent les cycles totaux suivants jusqu'à rupture pour des gaines de 10 mm de diamètre extérieur 316 à une contrainte alternée de 200 MPa. Une gaine de 0,8 mm a réalisé 12 millions de cycles au total (11,5 millions d'initiation, 0,5 million de propagation). Une gaine de 1,2 mm a réalisé 8 millions de cycles (7 millions d'initiation, 1 million de propagation). Une gaine de 1,6 mm a réalisé 5 millions de cycles (3 millions d'initiation, 2 millions de propagation). Une gaine de 2,0 mm a réalisé 3,5 millions de cycles (1,5 million d'initiation, 2 millions de propagation). La gaine à paroi mince à compression résiduelle élevée offre la durée de vie totale la plus longue malgré sa marge de propagation minimale.
Matrice de sélection de la durée de vie en fatigue et corrosion pour les environnements marins
Le tableau suivant indique les épaisseurs de paroi de gaine 316 recommandées pour les thermoplongeurs électriques dans les environnements marins, en fonction de l'amplitude de contrainte cyclique attendue et de la durée de vie requise. Les valeurs supposent une exposition continue à l'eau de mer ou à l'eau saumâtre entre 30 et 60 °C et des processus de sertissage standard sans recuit post-estampage.
| Amplitude de contrainte cyclique attendue | Durée de vie requise | Épaisseur de paroi de gaine recommandée 316 | Mode de défaillance dominant | Justification de la conception |
|---|---|---|---|---|
| Faible (< 50 MPa) | >10 ans | 1,2 – 1,6 mm | Corrosion caverneuse | Le bénéfice du stress résiduel est moins important ; la tolérance à la corrosion entraîne l'épaisseur |
| Modéré (50 – 150 MPa) | 5 à 10 ans | 1,0 – 1,2 mm | Amorçage de fatigue-corrosion | La paroi mince offre une compression résiduelle élevée pour la prévention des fissures |
| Modéré (50 – 150 MPa) | >10 ans | 1,4 – 1,6 mm avec recuit post-estampage | Propagation après initiation | Le recuit supprime les avantages liés au stress résiduel ; compter sur la marge d'épaisseur |
| Élevé (150 – 250 MPa) | 3 à 5 ans | 0,8 – 1,0 mm | Amorçage de fatigue-corrosion | Compression résiduelle maximale indispensable ; accepter une durée de vie plus courte |
| Élevé (150 – 250 MPa) | >5 ans | Pas réalisable avec 316 | Surcharge ou fissuration rapide | Mise à niveau vers Incoloy 825 ou titane |
| Variable avec des surcharges fréquentes | N'importe lequel | 1,6 à 2,0 mm | Propagation après une fissure inattendue | La marge d'épaisseur protège contre les événements imprévisibles |
Pour les applications où les contraintes cycliques proviennent de vibrations, de cycles de dilatation thermique ou de fluctuations de pression, il est essentiel de mesurer ou d'estimer l'amplitude des contraintes. Si la mesure est impossible, supposer un niveau de contrainte modéré de 100 MPa est une valeur par défaut prudente. Dans de tels cas, une épaisseur de paroi de 1,2 mm offre le meilleur équilibre entre bénéfice de contrainte résiduelle et marge de propagation. Les ingénieurs devraient également envisager de spécifier un recuit post-estampage pour les gaines à parois épaisses-destinées aux applications à cycle élevé-. Le recuit à 1 050 °C élimine entièrement les contraintes résiduelles, éliminant ainsi l'avantage de fatigue par corrosion des parois minces, mais éliminant également les contraintes résiduelles de traction au niveau de la surface interne qui peuvent contribuer à la propagation des fissures. Une gaine recuite de 1,6 mm se comporte de manière similaire à une gaine non-recuit de 1,2 mm en termes de durée de vie totale en fatigue, offrant ainsi une voie alternative pour obtenir une longue durée de vie sans recourir à des parois minces. Le choix entre des parois minces à contraintes résiduelles élevées et des parois épaisses avec recuit dépend des capacités de fabrication et du coût. Pour la plupart des applications marines où les vibrations sont présentes mais peu importantes, une épaisseur de paroi de 1,2 à 1,4 mm avec un sertissage standard offre des performances fiables en fatigue-corrosion sans nécessiter de traitement spécial.
