Les assemblages soudés en aluminium peuvent subir une corrosion générale, localisée, intergranulaire et assistée par contrainte. Ce guide explique pourquoi la précipitation de phase secondaire et les différences électrochimiques favorisent l’attaque intergranulaire, et comment la contrainte de traction et un milieu corrosif se combinent pour provoquer une fissuration par corrosion sous contrainte. Il définit la contrainte critique, les indices KISCC, JISCC et KIC, ainsi que la relation da/dt-K en trois étapes, puis évalue la composition de l’alliage, l’appariement des métaux d’apport, la microstructure de la zone de soudure, les contraintes résiduelles et les défauts. La prévention porte sur le choix des matériaux, les consommables, la réduction des contraintes résiduelles, le traitement thermique et la protection de surface. Cet article conserve la notation propre à la mécanique de la rupture et les relations de seuil nécessaires à l’évaluation technique.
La corrosion désigne les dommages ou la destruction provoqués par une interaction chimique ou électrochimique entre un métal et son environnement. On distingue la corrosion chimique et la corrosion électrochimique, cette dernière étant la plus couramment observée.
Les joints soudés peuvent subir une corrosion générale, une corrosion localisée ou une corrosion sous contrainte. La corrosion générale touche la totalité ou la majeure partie de la surface ; lorsque sa vitesse est à peu près la même partout, on parle de corrosion uniforme. La corrosion localisée se développe de préférence à des endroits spécifiques et beaucoup plus rapidement qu’ailleurs, comme dans le cas de la corrosion intergranulaire ou de la corrosion par piqûres. Les contraintes intensifient l’attaque et peuvent entraîner une corrosion sous contrainte et une fissuration par corrosion sous contrainte.
La corrosion générale est prévisible et relativement moins dangereuse. La corrosion localisée est difficile à prévoir et peut entraîner une défaillance soudaine sans signe avant-coureur évident.
L'aluminium résiste généralement bien à la corrosion, mais son comportement dépend du type d'alliage, de sa composition et de l'environnement. Les alliages d'aluminium non traitables thermiquement, ainsi que les alliages Al-Mn et Al-Mg, résistent mieux à la corrosion que les alliages traitables thermiquement Al-Cu-Mg et Al-Zn-Mg. Les alliages Al-Cu-Mg et leurs soudures ont tendance à subir une corrosion intergranulaire, tandis que les alliages Al-Zn-Mg et leurs soudures ont tendance à subir une corrosion sous contrainte et une fissuration par corrosion sous contrainte. Les alliages d'aluminium résistent généralement à la corrosion atmosphérique, mais leur comportement est moins satisfaisant en eau de mer et dans les climats marins.
La corrosion intergranulaire se développe le long des joints de grains ou dans les zones adjacentes et précède souvent la corrosion sous contrainte.
La surface peut ne présenter qu’une légère attaque, tandis qu’un réseau interne de fissures intergranulaires réduit considérablement la résistance. L’une des principales causes est la précipitation d’une deuxième phase aux joints de grains, qui appauvrit en un constituant plus noble la zone environnante. Dans le duralumin Al-Cu-Mg, par exemple, la précipitation de CuAl₂ crée une zone appauvrie en cuivre. Dans un milieu commun, un métal présentant un potentiel plus négatif devient l’anode galvanique et se corrode plus facilement, tandis qu’un métal plus positif a tendance à agir comme cathode. Les modifications microstructurales sont donc à l’origine de l’attaque intergranulaire électrochimique. La corrosion sous contrainte est le facteur de corrosion le plus important à prendre en compte dans le contrôle de la rupture des structures soudées en aluminium.
La fissuration par corrosion sous contrainte (SCC) est la rupture d'un assemblage soumis à une contrainte statique dans un milieu corrosif. Elle résulte de l'action combinée d'une contrainte, généralement de traction, et d'un environnement spécifique. Un assemblage ou une structure peut se fissurer spontanément sous des contraintes bien inférieures à la limite d'élasticité, et ce même dans un environnement faiblement corrosif. Il s'agit donc d'une forme particulièrement dangereuse de rupture fragile sous faible contrainte.
La contrainte dominante est la somme des contraintes résiduelles de fabrication et de soudage et des contraintes de service. La corrosion sous contrainte (SCC) ne se produit pas lorsque la contrainte appliquée, le facteur d’intensité de contrainte K ou l’intégrale J sont inférieurs au seuil correspondant — la contrainte critique σ.SCC, facteur d'intensité de contrainte seuil KISCC, ou intégrale de seuil JISCC. Une fissure de corrosion sous contrainte existante ne se propagera pas en dessous de ce seuil. Lorsque le facteur d'intensité de contrainte à la pointe de la fissure dépasse KISCC, la fissure apparaît ou s'agrandit ; la rupture se produit lorsque cette progression atteint l'état critique du matériau.
Le processus de fissuration comporte trois étapes : l'amorçage de la fissure, la croissance subcritique stable et la croissance instable. La corrosion par piqûres et la corrosion intergranulaire constituent souvent les points d'origine des fissures et raccourcissent le temps d'amorçage. Une fissure initiée se ramifie à la manière d’une racine d’arbre ; l’une des ramifications peut devenir la fissure principale, qui se développe rapidement, tandis que les autres s’arrêtent ou progressent lentement. Une fois établie, la fissure se propage à un rythme quasi constant jusqu’à ce qu’une instabilité mécanique survienne.
La relation entre la vitesse de propagation de la fissure da/dt et le facteur d'intensité de contrainte à la pointe de la fissure K présente généralement trois régions. Dans la région I, da/dt diminue fortement à mesure que K diminue, et aucune propagation ne se produit en dessous de KISCC. La région II présente une croissance stable à da/dtII. Lorsque K atteint la ténacité à la rupture KIC, la région III commence et la croissance instable continue de se fracturer.
D'un point de vue technique, KISCC et da/dtII constituent des indices de résistance utiles pour les matériaux et les assemblages soudés.
Au niveau macroscopique, la fracture est généralement perpendiculaire à la contrainte principale et la fissure se ramifie. L’accumulation de produits de corrosion fait disparaître l’éclat métallique au niveau du point d’origine et de la zone de croissance sous-critique. Le point d’origine peut présenter des piqûres, une corrosion intergranulaire ou un défaut de soudure. La zone finale instable peut présenter des motifs radiaux ou en chevron. Au niveau microscopique, les fissures peuvent être intergranulaires, transgranulaires ou mixtes selon l’environnement et la contrainte. Les surfaces de rupture conservent souvent des traces de déformation plastique présentant des motifs en forme de sucre d’orge, de coquille ou de plume.
Les alliages à haute résistance traitables thermiquement, en particulier les alliages Al-Zn-Mg et Al-Zn-Mg-Cu à très haute résistance, sont très sensibles à la corrosion sous contrainte (SCC) au niveau des soudures. Même les alliages Al-Mg non traitables thermiquement et résistants à la corrosion deviennent sensibles à la SCC lorsqu’ils présentent une teneur élevée en magnésium.
Le choix du métal d'apport tient souvent compte de la soudabilité, de la composition, de la résistance, de la ductilité et de la ténacité. Cela peut entraîner d'importantes différences de composition et de microstructure entre le métal soudé et le métal de base, ainsi que des différences électrochimiques correspondantes susceptibles d'accroître la sensibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC).
Le soudage peut entraîner un grossissement du grain, une fusion aux joints de grains et une fragilisation aux joints de grains au niveau de la soudure, de la zone de fusion et de la zone affectée thermiquement. Ces structures non uniformes ou hors équilibre peuvent accroître la sensibilité à la fissuration sous contrainte (SCC). Une structure cristalline en équilibre thermodynamique offre généralement la plus grande résistance, tandis qu’une structure éloignée de l’équilibre est plus sensible.
Les contraintes résiduelles ont une incidence majeure. Même en l'absence de charge externe, une contrainte résiduelle de traction peut suffire à provoquer une fissuration sous contrainte (SCC).
Les défauts planaires, notamment les fissures de solidification ou de liquation, entraînent une forte concentration de contraintes. Leur interaction avec les contraintes de traction résiduelles favorise fortement la fissuration sous contrainte résiduelle (SCC).
Étant donné que la composition, la microstructure et les propriétés mécaniques varient le long d'une soudure, sa résistance à la fissuration sous contrainte (SCC) est souvent inférieure à celle du métal de base, même lorsque le choix des matériaux et le contrôle du procédé sont corrects. Dans un milieu liquide contenant du NaCl 3%, par exemple, σSCC/ReL est de 0,6 pour le métal de base en aluminium et de 0,5 pour l'assemblage soudé.
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