Apport des analogues archéologiques à l'estimation des vitesses moyennes et à l'étude des mécanismes de corrosion à très long terme des aciers non alliés dans les sols

Contribution of archaeological analogues to the estimation of average corrosion rates and to the study of the long term corrorion behaviour of low carbon steel in soil

• Auteur / Autrice : Delphine Neff
• Direction : Gérard Béranger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sidérite

Magnétite

Corrosion

Acier

Mots clés libres

Analogues archéologiques

Objets archéologiques

Aciers non alliés

Résumé

Dans le cadre du programme français de stockage des déchets radioactifs, un dispositif multi­barrières est envisagé. Les déchets seraient inclus dans des surconteneurs métalliques qui pourraient être en acier non allié. Il est donc important de connaître le comportement de ce matériau dans les sols sur le long terme. Une approche consiste à étudier des analogues archéologiques. Dans ce but, un protocole d'analyse a été mis au point : une quarantaine d’objets provenant de cinq sites (2ème_16ème siècle) ont été étudiés sur coupe transversale. Il a été observé que les produits de corrosion sont subdivisés en deux domaines : les Couches de Produits Denses de corrosion (CPD) en contact avec le métal, et le Milieu Transformé (MT), produits de corrosion formés autour des minéraux du sol. Il a été vérifié que les substrats métalliques sont des aciers hypoeutectoïdes. Les produits de corrosion ont fait l'objet d'analyses structurales locales (microdiffraction sous rayonnement synchrotron et microspectroscopie Raman). Sur le faciès majoritairement observé, les CPD sont principalement composées de goethite marbrée de liserés de magnétite/maghémite. Sur l'ensemble des échantillons, les analyses du MT montrent celui-ci est composé de goethite dont le mode de cristallisation est différent de celui des CPD. Afin de cerner le comportement des phases identifiées en milieu aqueux, des calculs thermodynamiques ont été mis en œuvre pour déterminer leur solubilité en fonction du pH, du potentiel. Il a été mis en évidence que la composition et la structure du matériau n'ont pas une influence prépondérante sur le comportement en corrosion. Des hypothèses ont pu être formulées sur les mécanismes de corrosion à long terme des aciers hypoeutectoïdes dans les sols. Elles mettent en évidence le rôle des fissures dans les transports d'espèces ioniques dans les produits de corrosion. Des vitesses moyennes de corrosion ont été évaluées sur les objets du corpus : elles sont au maximum de 4 µm/an.

In the context of the French nuclear waste storage, a multi-barriers disposal is envisaged. Wastes could be put in metallic overpacks disposed in a clay soil. As these overpacks could be made of low carbon steel, it is important to understand the corrosion behaviour of this material in soil during period of several centuries. One way to validate laboratory experiments is to study archaeological artefacts. To this purpose, an analytical protocol has been elaborated : about forty archaeological artefacts coming from five different sites (2nd to 16th centuries) have been studied on cross section. It has observed that the corrosion products are divided into two zones : the Dense Product Layer (DPL) in contact with the metal, and the Transformed Medium (TM), the corrosion products formed around soil minerals (quartz grains. . . ). It has been verified that the metallic substrates are all hypoeutectoid steels. The corrosion products have been analysed by local structural analytical methods (microdiffraction under synchrotron radiation and Raman microspectroscopy). On the majority of the samples the DPL are constituted by goethite including marbles of magntite/maghemite. In the whole, comparison with those of the DPL. In order to know the behaviour of the identified phases in soil water, some thermodynamic data have been involved to calculate their solubility in function of pH and potential. It has been evidenced that the composition and the structure of the material has not a significant influence on the corrosion behaviour. Moreover some hypothesis have been formulated on the long term corrosion mechanisms of hypoeutectoid steels in soils. The cracks have an important role on the ionic species transports in the corrosion layers. Lastly, average corrosion rates have been measured with the help of the analytical and thermodynamic results : they do not exceed 4 µm/year.