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 Bulletins techniques
mai 2012

Plomberie 101 - Partie 2 : La dégradation des pièces de laiton, un ancien phénomène de corrosion à l'origine de nombreuses défaillances dans les systèmes de plomberie contemporains

Par Frédéric Bourgeois ing., M. Sc. A., métallurgiste, Isabelle Murray ing., M.Sc.A., métallurgiste, Directrice adjointe, Montréal,

Nous faisons face à une recrudescence de bris de pièces de laiton installées ou intégrées à divers systèmes sous eau ou réseaux de plomberie contemporains. Ce matériau a pourtant été utilisé sans problème dans de telles installations depuis de nombreuses années. Nous avons d'ailleurs documenté des bris de pièces ayant étonnamment été en service moins d'un an. Certaines pièces ont même défailli en seulement quelques semaines. Ces bris engendrent, dans certains cas, des pertes matérielles importantes ainsi qu'un manque d'approvisionnement en eau. Malgré la complexité du problème, l'oeil avisé d'un métallurgiste, un spécialiste du compor­tement des matériaux, peut identifier les éléments caractérisant la nature et le mécanisme de la défaillance de pièces, dont notamment celles faites de laiton. En effet, un métallurgiste possède une excellente connais­sance des diverses caractéristiques associées aux micromécanismes de rupture des pièces métalliques. Un tel spécialiste maîtrise aussi divers appareils et méthodes sophistiqués permettant d'identifier le mécanis­me de fissuration des matériaux métalliques dans le cadre d'études de bris pour ultimement déterminer la cause de leur défaillance.

Ce bulletin traite principalement de l'aspect métallurgique d'un matériau pouvant sem­bler anodin : le laiton. Plus précisément, les phénomènes métallurgiques du comportement des laitons en milieu aqueux seront détaillés afin de caractériser le matériau et sa susceptibilité à la dégradation même lorsqu'utilisé dans des conditions dites " normales ". Par conséquent, vous com­prendrez pourquoi lesdites pièces de laiton peuvent défaillir prématurément.

Laiton pour les nuls

Le laiton n'est pas un métal ou un matériau pur. Il s'agit plutôt d'un alliage ou d'un mélange fait à l'état liquide. Ce mélange est essentiellement constitué de cuivre et de zinc. D'autres éléments, tels le plomb et l'étain, sont ajoutés au laiton, mais en proportion moindre. En fait, les laitons sont majoritairement composés de cuivre, auxquels une certaine quantité de zinc est ajoutée. Il existe une importante quantité d'alliages qui porte l'appellation laiton. La teneur en zinc d'un tel matériau varie typiquement d'environ 15 à 40 %.

Le comportement d'une pièce de laiton varie considérablement en fonction de sa teneur en zinc. Outre leurs propriétés mécaniques ainsi que leur formabilité (facilité de fabrication), la résistance en corrosion d'une pièce de laiton est grandement affectée par sa teneur en zinc, car cet élément d'addition au cuivre est moins "noble" que la matrice de cuivre. En effet, plus la teneur en zinc d'une pièce de laiton est élevée et plus elle
est susceptible de se dégrader par un phénomène de corrosion sélective. Cette dégradation rapide et prématurée peut être provoquée par un liquide normalement perçu comme étant peu corrosif, voire même inoffensif, soit l'eau potable.

Phénomène de corrosion chez les laitons

La susceptibilité à la corrosion d'un laiton exposé à l'eau potable débute lorsque le taux de zinc dépasse environ 15 % et devient particulièrement sévère avec des préparations de zinc dépassant 35 %. Nous avons documenté une importante quantité de pièces de laiton, intégrées à des réseaux de plomberie modernes comprenant environ 40 % de zinc, rendant ainsi leur utilisation hautement susceptible à la dégradation prématurée. Le comportement de telles pièces devient ainsi très sensible aux caractéristiques de l'eau (et de leur variation) dans laquelle elles sont employées.

La faible résistance en corrosion des pièces de laiton à fort taux de zinc s'explique par des considérations relevant, en grande partie, des facteurs métallurgiques intrinsèques à la pièce. En fait, bien que le laiton demeure un alliage monophasé " ? " (alpha) avec une teneur en zinc inférieure à environ 30 %, le zinc comme élément d'addition dans la matrice de cuivre est beaucoup moins noble et peut ainsi être affecté à des proportions aussi faibles que 15 % par un phénomène de corrosion sélective.

Des changements fondamentaux de la structure microscopique interne ou micro­structure s'opèrent dans le laiton lorsqu'on y ajoute environ plus de 35 % de zinc. Plus spécifiquement, une phase du laiton hautement sensible à la dégradation prématurée " ? " (bêta) apparaît dans la microstructure et augmente ainsi la susceptibilité de l'alliage à la corrosion sélective.

Pour illustrer ces propos, un laiton (fait d'une matrice en cuivre dans laquelle on y ajoute du zinc) peut être comparé à un verre d'eau auquel on ajoute du sel. Le mélange du sel à l'eau génère une eau salée à l'aspect uniforme. Le sel, lorsqu'ajouté jusqu'à une certaine quantité, est complètement soluble dans l'eau. On dit alors qu'un tel mélange est monophasé, c'est-à-dire qu'il ne contient qu'une seule phase, soit de l'eau salée. Les laitons se comportent de manière similaire. En effet, une certaine quantité de zinc peut être dissoute dans le cuivre pour en former un mélange monophasé (phase ?) uniforme.

Incidemment, lorsqu'une quantité trop importante de sel est ajoutée à l'eau, celui-ci précipite et s'accumule au fond du verre. Le mélange ainsi formé est dit biphasé puisqu'il comporte deux phases, soit de l'eau salée ainsi que du sel. Les laitons se comportent de manière similaire. Lorsqu'environ 35 % de zinc et plus est additionné au cuivre, une deuxième phase apparaît, soit la phase " ? ". C'est plus spécifiquement l'apparition d'une telle phase bêta qui fait chuter de manière drastique la résistance des laitons à la corrosion, lorsqu'exposés à l'eau potable, puisque celle-ci n'a qu'une faible résistance à la corrosion.

Dézincification

Figure 1 : Dommages microstructuraux par dézincification (zones grisâtres et rosées)

Cette phase est particulièrement sensible à un mécanisme de corrosion bien établie chez les laitons exposés à l'eau potable, soit la dézincification. Ce mécanisme de corrosion est connu dans le domaine de la métallurgie depuis les années 1920. Il a été documenté de manière exhaustive par des organismes sérieux et reconnus tels que l'ASM (American Society of Materials) ainsi que l'AWWA (American Water Works Association).

Ainsi, la dézincification est un type de corrosion sélective qui implique l'enlèvement du zinc des pièces de laiton à partir de la surface en contact avec l'électrolyte (eau). L'enlèvement du zinc laisse alors une structure poreuse et friable. Les zones ainsi affectées se retrouvent par le fait même plus riches en cuivre que le laiton de base. Ces régions affectées sont caractérisées par une coloration rougeâtre typique à la présence de cuivre alors que la matrice de laiton est plutôt jaune/or. Dans certains cas de dézincification sévère, cette coloration rougeâtre peut s'observer à l'oeil nu.

Figure 2 : Pièce de laiton dézincifiée

Puisqu'elles sont poreuses et friables, les zones dézincifiées contribuent à diminuer les propriétés mécaniques d'une pièce affectée jusqu'à ce qu'elle ne puisse plus supporter les contraintes inhérentes à son installation et son utilisation normale. Une pièce trop corrodée (dézincifiée) finit donc par céder.

Conclusion

L'ingénierie des matériaux permet de bien documenter, à l'aide de techniques et instruments métallurgiques appropriés, les défaillances de pièces de laiton pour ainsi identifier, s'il y a lieu, la dégradation par dézincification.

Par exemple, une préparation de la matrice par métallographie peut être employée à la fois pour repérer les zones dézincifiées et la phase bêta dans une pièce de laiton. Une telle préparation permet ainsi, à l'aide de microscope optique pour métallographie, de caractériser la microstructure complète d'une pièce métallique pour déterminer ultimement si le matériau de la pièce est en cause dans le bris ou non.