Fatigue et corrosion d’alliages de cuivre pour applications ferroviaires

par Maxime Delbove

Thèse de doctorat en Mécanique, Énergétique et Sciences des matériaux

Sous la direction de Jean-Bernard Vogt et de Denis Najjar.


  • Résumé

    Utilisés pour leur bon compromis entre propriétés mécaniques, thermiques et électriques, les alliages Cu-Ni-Si à durcissement structural par précipitation sont notamment employés pour la maintenance ferroviaire. Ils sont donc soumis aux passages des trains et aux effets d’environnement. C’est pourquoi la résistance d’un alliage CuNi2Si a été étudiée en fatigue oligocyclique, en corrosion aqueuse et en fatigue-corrosion. Le but est de relier les propriétés macroscopiques aux mécanismes microstructuraux. Les essais de fatigue ont montré un durcissement initial de l’alliage, suivi d’un adoucissement continu jusqu’à la rupture. À l’aide des microscopies électroniques en transmission (MET) et à balayage (MEB), notamment en ECCI (Electron Channeling Contrast Imaging) et en EBSD (Electron BackScattered Diffraction), une formation initiale de cellules de dislocations a été identifiée, ces dernières disparaissant au profil de la formation de bandes dénuées de précipités suite à la dissolution mécanique des précipités δ-Ni2Si. Ceci constitue le mécanisme d’accommodation de la déformation cyclique. L’avancée de la formation de ces bandes explique les différents régimes observés sur le diagramme de Manson-Coffin. L’alliage présente en milieu NaCl à 50 g.L1 un mécanisme de corrosion intergranulaire. La spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE) semble indiquer la présente d’un film passif compact en surface de l’alliage. Enfin, une sensibilité à la fatigue-corrosion apparaît, notamment aux plus hauts niveaux de déformation où la durée de vie est réduite d’un tiers. De plus, un faciès de rupture semblable à ceux observés en corrosion sous contrainte est constaté.

  • Titre traduit

    Fatigue and corrosion of copper alloys for railway applications


  • Résumé

    Employed for their good balance between mechanical, thermal and electrical properties, precipitation hardened Cu-Ni-Si alloys are used for various purposes, including railway maintenance. In the latter case, they are submitted to train traffic and environmental effects. This is why the low cycle fatigue (LCF), the wet corrosion and the fatigue-corrosion behaviours of a CuNi2Si alloy have been studied. The aim of the present work is to relate the macroscopic properties to the microstructural behaviour. The fatigue life of the alloy is composed of an initial hardening step, followed by a continuous softening until fracture. Thanks to the combination of transmission and scanning electron microscopies (respectively TEM and SEM), including ECCI (Electron Channeling Contrast Imaging) in addition to EBSD (Electron BackScattered Diffraction), the formation of dislocation cells has been identified, which ones are then consumed by the formation of precipitate free bands after the mechanical dissolution of the δ-Ni2Si precipitates. This sequence describes the cyclic strain accommodation mechanism. The progress in the formation of these bands explains the different regimes observed into the Manson-Coffin diagram. The alloy exhibits intergranular corrosion in 50 g.L-1 NaCl solution. The electrochemical impedance spectroscopy (EIS) indicates the formation of a compact passive film at the surface of the alloy. Finally, the alloy seems to be sensible to fatigue-corrosion, especially at high strain range where the number of cycle to failure is reduced by a third. Moreover, a fracture surface similar to a stress corrosion cracking surface is also observed.


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