En tant que l'un des matériaux métalliques les plus anciens utilisés par l'homme, le cuivre a été largement utilisé dans de nombreux domaines tels que l'énergie électrique, l'architecture, l'ingénierie maritime, etc. en raison de son excellente conductivité électrique, de sa conductivité thermique et de sa résistance à la corrosion. Cependant, même dans l'environnement d'utilisation le plus idéal, une série de changements physiques et chimiques se produisent inévitablement dans le processus de service à long terme du cuivre.
1. Oxydation de surface : couche protectrice naturellement formée
Le changement le plus intuitif du cuivre exposé à l’air pendant une longue période est le changement de couleur de la surface :
- Stade initial (semaines à mois) : la surface passe progressivement du rouge orange vif-au rouge foncé.
- Stade intermédiaire-(mois à années) : nouvelle évolution vers le brun et le violet.
- Stade à long-terme (plus de plusieurs années) : une patine stable bleu-vert ou vert foncé se forme enfin.
La patine formée par l'oxydation naturelle est en fait un film protecteur dense de carbonate de cuivre basique, qui peut empêcher efficacement la corrosion des métaux internes. Dans le domaine de l’architecture, c’est la clé pour conserver l’intégrité structurelle des toitures en cuivre après cent ans.
2. Corrosion aux limites des grains : évolution progressive de la microstructure
Dans un environnement spécifique, la détérioration du cuivre commence par la microstructure :
- Fissuration par corrosion sous contrainte (SCC)
Les éléments en cuivre soumis à des contraintes de traction à long terme sont sujets à des microfissures le long des joints de grains dans des milieux spécifiques tels que l'ammoniac et le sulfure. Ce phénomène est particulièrement fréquent dans les tuyaux des échangeurs de chaleur et les connecteurs électriques, et il faut généralement 8 à 15 ans pour montrer des signes évidents.
- Corrosion par dézincification
Pour le laiton (alliage de cuivre-zinc), lorsqu'il est utilisé pendant une longue période dans l'eau de mer ou l'eau saumâtre, le zinc sera dissous sélectivement, laissant un squelette de cuivre poreux et fragile. Ce processus commence souvent à la surface et s'étend vers l'intérieur à raison de 0,01 à 0,1 mm par an.
3. Le changement de vieillissement des propriétés mécaniques
Evolution naturelle de la résistance et de la dureté
- Cuivre écroui- : au cours des 3 à 5 premières années, la contrainte résiduelle est progressivement libérée et la dureté peut diminuer de 10 à 15 %.
- Cuivre recuit : sous-charge cyclique à long terme, il y aura un léger écrouissage et la résistance augmentera de 5 à 8 %.
- Point tournant critique : généralement après 20 à 25 ans de service, la résistance à la fatigue commence évidemment à diminuer.
Atténuation de l'indice de plasticité :
Après une utilisation à long terme-, l'allongement du cuivre diminue généralement de 20 à 30 %, ce qui est particulièrement évident dans la zone de pliage à froid. Selon les statistiques de l'industrie électrique, les performances de flexion des barres omnibus en cuivre utilisées depuis plus de 30 ans peuvent diminuer de 40 %.
4. La lente dégradation des performances électriques
Courbe de baisse de conductivité :
- Dans un environnement atmosphérique standard, la conductivité du cuivre pur diminue d'environ 0,1 à 0,3 % chaque année.
- Sur un cycle de 30 ans, la perte de conductivité globale se situe généralement entre 5 et 8 %.
- At high temperature (>80 degrés), la vitesse de dégradation peut être accélérée de 2 à 3 fois.
Risques potentiels de résistance de contact :
L'épaississement de la couche d'oxyde sur la surface du connecteur en cuivre entraînera une augmentation de la résistance de contact au rythme de 1-2 % par an. Cela peut provoquer une surchauffe locale au point de connexion électrique haute tension, ce qui peut présenter un risque pour la sécurité.
5. Vieillissement environnemental accéléré
Impact des différences climatiques régionales :
- Environnement industriel/marin : le taux de corrosion est 3 à 5 fois supérieur à celui de l’environnement rural.
- Zones à haute température et humidité élevée : le processus de vieillissement est 40 à 60 % plus rapide que dans les zones tempérées.
- Zones fréquentes de pluies acides : la vitesse de destruction de la couche protectrice de surface est augmentée de 2 à 3 fois.
Influence des détails d'installation :
- Contact de métaux différents : En contact direct avec l'acier et l'aluminium, la corrosion galvanique peut raccourcir la durée de vie du cuivre de 30 à 50 %.
- Eau dans les crevasses : le taux de corrosion des parties superposées avec-accumulation d'eau à long terme est plus de 10 fois supérieur à celui de la surface exposée.
