Fragilisation au revenu : le piège 375–575 °C dans les aciers Cr-Mo

Le phénomène

La fragilisation au revenu est une perte de ténacité au choc qui se développe lorsque certains aciers alliés sont maintenus dans, ou refroidis lentement à travers, approximativement la plage 375–575 °C. Les propriétés de traction et la dureté de l'acier changent à peine — une pièce peut réussir tous les essais de routine et rester fragile à température ambiante, avec une température de transition ductile-fragile fortement déplacée vers le haut. Elle est surtout connue dans les aciers au chrome et Cr-Mo, y compris les familles 2.25Cr-1Mo et Cr-Mo-V utilisées pour les appareils à pression, les rotors et la boulonnerie lourde.

Le mécanisme : les impuretés aux joints de grains

La fragilisation n'est pas causée par les principaux éléments d'alliage eux-mêmes. Des impuretés à l'état de traces — principalement le phosphore, l'étain, l'antimoine et l'arsenic — ségrègent aux joints de grains d'austénite antérieurs pendant que l'acier séjourne dans la plage critique, affaiblissant les joints de sorte que la rupture se propage entre les grains. Le manganèse et le chrome favorisent la ségrégation ; le molybdène en quantités modérées la retarde, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles le Mo apparaît dans tant de nuances pour appareils à pression.

Deux caractéristiques découlent du mécanisme :

• Elle est réversible. Un réchauffage au-dessus de la plage (et un refroidissement raisonnablement rapide) redissout la ségrégation et restaure la ténacité — d'où le terme « fragilisation au revenu réversible », distincte de la fragilisation irréversible de la martensite revenue à des températures plus basses.
• Elle dépend du temps. De courts passages à travers la plage font peu de dommages ; les maintiens prolongés, le refroidissement lent au four des sections épaisses et des années de service dans la plage accumulent les dommages.

Comment les spécifications la combattent

Parce que la cause est chimique, la défense est inscrite dans les exigences d'achat :

• Limites d'impuretés — les affineurs contrôlent P, Sn, Sb et As à de faibles niveaux, et les acheteurs de pièces forgées critiques spécifient des paramètres combinés de fragilisation (les formules largement utilisées du facteur J et du X-bar pondèrent ces éléments ensemble) dans le bon de commande.
• Pratique du revenu — effectuer le revenu au-dessus de la plage lorsque c'est possible et éviter un refroidissement lent à travers elle dans les sections épaisses ; des cycles d'essai de refroidissement par paliers sont utilisés pour qualifier le matériau pour les appareils qui vivront dans la plage.
• Réception par essai de résilience — des exigences de température de transition Charpy, parfois après un cycle de fragilisation simulé, vérifient la ténacité réelle plutôt que de la supposer.

Lecture pratique

Si un composant Cr-Mo a passé un long service à 400–550 °C et doit être évalué, la dureté seule ne dit rien de sa ténacité. Inversement, une pièce forgée neuve qui respecte des limites d'impuretés strictes et qui est revenue correctement n'est pas « à risque » simplement parce que sa température de revenu a été choisie près de la plage — le phénomène nécessite les impuretés, la température et le temps réunis.

Comment elle est détectée

Parce que la dureté et la résistance à la traction restent normales, la fragilisation au revenu est détectée par l'essai de résilience Charpy — spécifiquement par le déplacement de la température de transition ductile-fragile par rapport à l'état non fragilisé. Une ténacité mesurée à une seule température peut induire en erreur ; la courbe de transition est la preuve. Lorsque l'historique d'un composant est suspect, des échantillons prélevés par carottage dans la pièce ou des prolongations de la pièce forgée d'origine sont testés, parfois après un réchauffage de défragilisation pour confirmer le diagnostic : si la ténacité revient après le réchauffage et le refroidissement rapide, c'était bien la fragilisation au revenu — plutôt qu'un dommage permanent tel que le fluage ou l'attaque par l'hydrogène — qui en était la cause.