Academic literature on the topic 'Fragilisation par l'hydrogène'

La recherche d'aciers toujours plus performants a incité le développement d'aciers inoxydables alliés a l'azote. Deux nuances sont considérées dans cette étude : des polycristaux FeCrMn alliés au nickel ou à l'azote et des monocristaux FeCrNi avec ou sans azote. Les propriétés mécaniques de ces aciers peuvent se dégrader quand ils sont exposés simultanément à une sollicitation mécanique et à un environnement hydrogéné (Fragilisation par l'Hydrogène). L'étude de ce phénomène constitue l'objet principal de ce travail. Le rôle de l'azote comme élément d'alliage et l'endommagement produit par l'hydrogène en surface et en volume sont étudiés. L'azote favorise la diffusion de l'hydrogène dans le cristal. La profondeur de la zone affectée par l'hydrogène est de 30 [mu]m et 25 [mu]m pour les monocristaux FeCrNi avec et sans azote respectivement, tout autre paramètre experimental étant égal par ailleurs. L'hydrogène produit une augmentation de la dureté intrinsèque du matériau et de la variation de la dureté avec la charge en raison de la transformation de la phase austénitique [gamma] et/ou des contraintes résiduelles qu'il induit (pression hydrostatique de l'ordre de 3,4 GPa). Des transformations et précipitions de nouvelles phases de type hydrure [gamma]H, austénite dilatée [gamma]E et martensites [epsilon] et [alpha]' ont été observées lors de l'addition d'hydrogène. La cinétique et la réversibilité dépendent de la composition chimique : l'azote stabilise la phase [gamma] , retarde la formation de la phase [epsilon] mais la stabilise une fois formée. La ductilité au cours d'essais de traction est réduite par l'addition d'hydrogène. Pour les polycristaux FeCrMn, ce phénomène est d'autant plus important que : l'azote est présent, la taille de grain est plus faible et/ou le matériau [. . . ]

Dans un contexte industriel en évolution permanente, les aciers austénitiques Fe-Mn-C sont développés afin d’obtenir une résistance mécanique élevée tout en conservant une ductilité considérable. Cependant, ces aciers présentent une sensibilité à différentes formes d'endommagement par l'hydrogène, notamment la corrosion sous contrainte. L'objectif de cette étude est de caractériser l'influence de la composition chimique et de l'état microstructural de ces alliages sur leur sensibilité aux phénomènes de fragilisation par l’hydrogène (FPH), lorsqu’ils sont soumis à des phénomènes de corrosion aqueuse. Ce travail est introduit par une présentation générale de la métallurgie des aciers austénitiques Fe-Mn-C ainsi que des méthodes expérimentales utilisées. Le traçage isotopique de l’hydrogène avec du deutérium par analyse SIMS a permis d’étudier les mécanismes de diffusion de l’hydrogène dans ces alliages. L’étude du comportement en corrosion aqueuse de ces alliages, par des tests électrochimiques et des immersions au potentiel libre dans des environnements aqueux deutérés, a mis en évidence l’influence des éléments d’addition sur la prise d’hydrogène associée à la corrosion.La sensibilité à la FPH de ces aciers a été caractérisée par des essais de traction in situ. Ils montrent que les interactions hydrogène-plasticité ont un rôle essentiel sur les mécanismes régissant la FPH. Cette étude a également montré une forte influence des éléments d’addition sur la FPH. Finalement, les résultats de cette étude nous ont permis de discuter des mécanismes associés à l’influence des éléments d’addition sur la sensibilité à la FPH de ces aciers<br>The automotive industry is a sector in constant evolution, in which the lightening of structures by the use of new alloys, in order to save energy, is one of the main objectives. In this context, austenitic Fe-Mn-C steels are developed in order to obtain high mechanical strength associated with considerable ductility. However, these steels are sensitive to different forms of hydrogen damage, in particular stress corrosion cracking. The objective of this study is to characterize the influence of the chemical composition and the microstructural state of these alloys on their sensitivity to hydrogen embrittlement (HE) phenomena associated with corrosion process in aqueous media. This work starts with a general presentation of the metallurgical properties of austenitic Fe-Mn-C steels and of the experimental techniques. Then, the isotopic tracing of hydrogen with deuterium by SIMS analysis allowed studying hydrogen diffusion mechanisms in these alloys. The corrosion of these steels in aqueous media have been studied by electrochemical tests and immersions at the rest potential in deuterated solution ; the influence of alloying elements on the hydrogen absorption during corrosion war characterized in detail. In situ tensile tests were used to characterize the HE susceptibility of these steels. They show that hydrogen-plasticity interactions play a predominant role in the HE mechanisms. This study also showed a strong influence of alloying elements on HE. Finally, the results of this study allowed discussing the mechanism involved in the role of alloying elements on the HE susceptibility of these steels

Cette étude porte sur la Fragilisation par Hydrogène (FPH), sous voie gazeuse haute pression et à température ambiante, d'un acier à Haute Limite d'Elasticité (HLE) de grade API X80, utilisé pour la construction de pipelines, ainsi que sur la compréhension des mécanismes physiques de fragilisation associés. Ce travail s'inscrit dans un contexte de développement d'une nouvelle politique énergétique, basée sur l'utilisation d'énergies renouvelables, et dans laquelle l'utilisation de l'hydrogène, en tant que vecteur énergétique, s'inscrit pleinement. Dans cette optique, l'utilisation de pipelines en acier HLE semble être, pour le transport de l'hydrogène à grande échelle et à moindre coût, une des solutions à envisager. Celle-ci nécessite cependant de quantifier, et de comprendre, l'impact de l'hydrogène sur ces aciers. En premier lieu, ce travail s'est axé sur l'étude bibliographique des phénomènes d'adsorption, d'absorption, de diffusion, de transport et de piégeage de l'hydrogène dans les aciers. Il est s'accompagné d'un travail expérimental et numérique permettant l'implantation, dans le code de calcul par éléments finis CAST3M, d'un modèle de diffusion de l'hydrogène couplé aux champs mécaniques. En second lieu, l'influence de l'hydrogène sur les caractéristiques mécaniques de l'acier X80, de microstructure ferrito-perlitique, a été étudiée aux moyens d'essais de traction sous 300 bar d'hydrogène et à température ambiante. Une fois mise en évidence, la sensibilité de l'acier X80 à la FPH a été analysée plus en détail via la réalisation d'essais de traction à différentes vitesses de déformation, sous diverses pressions d'hydrogène, et sur des éprouvettes axisymétriques entaillées. Ces travaux ont montré que l'ampleur de la FPH varie effectivement avec les conditions expérimentales. De plus, corrélés aux résultats issus des simulations de ces essais, ils ont également mis en lumière que, dans nos conditions expérimentales et pour cet acier, la FPH est induite par trois populations distinctes d'hydrogène : l'hydrogène piégé aux interfaces ferrite/perlite, l'hydrogène adsorbé en surface, et enfin l'hydrogène réticulaire et piégé dans le volume du matériau. En dernier lieu, la réalisation d'essais de traction et de rupture de disques, durant lesquels des changements d'atmosphères ont été réalisés, ont montré une forte réversibilité de la FPH, associée à son apparition quasi immédiate dès l'introduction d'hydrogène dans l'atmosphère. Corrélés aux simulations de ces essais, ces résultats ont mis en exergue le rôle de l'hydrogène adsorbé dans les mécanismes de fragilisation de l'acier X80. Ces travaux ont également mis en évidence que l'hydrogène fortement piégé ne participe pas à la fragilisation de l'acier. Au contraire, l'hydrogène réticulaire et faiblement piégé (WB ≤ 16 kJ/mol), présent à proximité de la surface, semble amplifier l'effet fragilisant de l'hydrogène adsorbé. Au final, trois mécanismes de fragilisation, associés chacun à une des populations d'hydrogène incriminées dans la FPH de l'acier X80, sont présentés et discutés. Il ressort principalement de cette étude que l'hydrogène adsorbé, par son influence sur l'organisation des atomes du matériau en surface, a un rôle de tout premier plan dans la FPH sous voie gazeuse haute pression et à température ambiante de l'acier X80<br>Manquant

La fragilisation par l’hydrogène (FPH) est rencontrée en milieu H2S sur les aciers faiblement alliés utilisés pour les tubes de cuvelage de forages pétroliers. Pour une meilleure compréhension de ce mode de corrosion, le test standardisé de rupture différée en traction (Nace TM 0177-96 Méthode A) a été instrumenté par émission acoustique. Dans la configuration de test utilisée, l’étude d’aciers de sensibilité différente à la FPH révèle l’existence de sources très émissives (Hydrogen Induced Cracking, FeS), masquant d’autres sources (H2, Sulphide Stress Cracking). Dans le cas de la fissuration HIC, le suivi de l’énergie acoustique cumulée montre que l’amorçage de ce type de fissuration interne sur des zones ségrégées de la microstructure est accéléré par l’application d’une contrainte. Pour la fissuration SSC, le traitement statistique des données acoustiques permet de localiser l’endommagement plusieurs dizaines d’heures avant la rupture. Le mécanisme associé à la fissuration est lié à un amorçage surfacique de l’endommagement et est modifié par les conditions de chargement en hydrogène<br>Hydrogen embrittlement (HE) is observed in H2S containing environments on low alloy steels used for casing application. For a better understanding of this corrosion process, the normalized SSC tensile test (Nace TM 0177-96 Method A) was instrumented by acoustic emission (AE). In the configuration of test, the study of steels with different HE susceptility shows the presence of very emissive AE sources (HIC, FeS), hidding other AE sources (H2, SSC). For Hydrogen Induced Cracking, the monitoring of acoustic energy evidences that crack initiation, induced on segregated zones of the microstructure, is enhanced by stress application. For Sulphide Stress Cracking, statistical treatment of acoustic data allows the localization of the cracks on the specimens about fifty hours before rupture. Cracks associated with SSC mode of degradation initiate on the steel surface and mechanisms associated to their development are linked to hydrogen uptake

L'application de zinc par voie electrochimique sur l'acier, dans le but de le proteger contre la corrosion, a pour effet de provoquer une absorption d'hydrogene dans l'acier. L'hydrogene absorbe modifie les proprietes mecaniques de l'acier avec pour resultat une fragilisation. Dans l'industrie, on fait subir a la piece, immediatement apres le zincage, un traitement thermique qui a pour but de la degazer. L'idee, qui est a la base de cette these, est de modifier le processus de zincage pour supprimer, ou au moins de diminuer l'absorption d'hydrogene dans l'acier au cours de l'electrocristallisation du zinc. Pour cela, il etait necessaire d'etudier le mecanisme de formation d'un depot de zinc sur substrat d'acier. Cette etude a permis de mettre en evidence l'existence d'un depot de zinc en sous potentiel (upd) sur l'acier avant que n'intervienne la formation du depot de zinc. Ce depot en upd. Permet l'inhibition de l'evolution de l'hydrogene sur l'acier et facilite la formation d'un depot massif de zinc. Les additifs d'electrocristallisation sont couramment employes dans l'industrie mais leur mode d'action est tres peu connu, et nous avons essaye de determiner leur influence sur le mecanisme de deposition du zinc et sur l'absorption d'hydrogene dans l'acier. La cellule de devanathan nous a permis d'etudier l'influence de divers parametres electrochimiques et chimiques sur la permeation de l'hydrogene, qui est reliee a l'absorption de l'hydrogene. Nous avons ainsi reussi a diminuer de 80% la quantite d'hydrogene absorbee par l'acier lors de la formation d'un depot de zinc

Les alliages d'aluminium alznmg(cu) de la serie 7000 utilises dans l'industrie aeronautique ont fait l'objet de nombreuses etudes en corrosion sous contrainte (csc). Neanmoins, le mecanisme de fissuration est toujours sujet a controverses: dissolution anodique et fragilisation par l'hydrogene sont souvent proposes de maniere mutuellement exclusive. Le principal objectif de ce travail est de faire la part des choses entre ces deux grandes familles de mecanismes lors de la fissuration par csc de l'alliage 7150 sollicite en traction lente en milieu chlorure (nacl 3%). En couplant des essais mecaniques discriminatoires a des observations en microscopie electronique a balayage, nous montrons que dissolution anodique et fragilisation par l'hydrogene operent conjointement. L'influence relative de ces deux mecanismes depend des principaux parametres qui gouvernent la fissuration: l'etat microstructural, le potentiel electrochimique et la vitesse de deformation. En consequence, seule une modelisation qui considere cette influence relative semble appropriee pour rendre compte des resultats experimentaux. Jusqu'a presente, seule la phase de propagation avait fait l'objet d'etudes approfondies et nous proposons d'introduire la notion de defaut critique pour decrire la phase d'amorcage.

La fragilisation par l'hydrogène, en particulier des aciers à haute résistance, est un problème industriel important. C'est le cas lorsqu'une pièce mécanique doit être utilisée dans un environnement susceptible de la contaminer. L'un des remèdes possibles, pour limiter ou empêcher la contamination est d'utiliser des procédés physiques ou chimiques de dépôts constituants une barrière à la pénétration de l'hydrogène dans la pièce. Ici, nous examinons l'effet d'une nitruration par plasma d'ions dont l'objectif est double : limiter la pénétration de l'hydrogène et augmenter les propriétés mécaniques. Dans le cadre d'une collaboration avec le laboratoire hidrogenio de l'université fédérale de Rio de Janeiro, des essais électrochimiques ont permis de préciser que seule la couche de combinaison joue le rôle de barrière. Pour comprendre comment la couche nitrurée résiste à la fragilisation, des observations en microscopie optique par interférométrie de Normaski associées à la détermination par diffraction des rayons x des microdéformations pendant la fatigue du matériau ont permis de préciser le mode d'endommagement mécanique. Dans le cas d'une sollicitation statique, nous montrons, contrairement à d'autres auteurs, que l'hydrogène joue un rôle des les premiers stades de déformation plastique et nous proposons une explication basée sur le mouvement des dislocations qui présente l'avantage de concilier certaines théories apparemment contradictoires. Dans les conditions extrêmes lorsqu'un traitement a permis de saturer les sites piégeurs d'hydrogène, il est montré que le traitement de nitruration permet d'obtenir des propriétés mécaniques améliorées par rapport à l'acier de base non contamine

La Fragilisation par l'Hydrogène (FPH) des aciers en milieu humide contenant de l'H2S est un mode d'endommagement répandu dans l'industrie pétrolière. Afin d'améliorer la compréhension de ce mode de dégradation, un essai normalisé de résistance à la FPH des aciers en milieu H2S a été instrumenté par émission acoustique (EA). Les signaux d'EA liés aux deux grands modes de fissuration dans ce milieu, la décohésion interne (Hydrogen Induced Cracking, HIC) et la rupture différée par H2S (Sulfide Stress Cracking, SSC), ont été discriminés des signaux relatifs aux autres sources d'EA (dégagement d'hydrogène, formation de la couche de FeS). Le suivi en temps réel des fissurations offre un nouvel éclairage sur les cinétiques des fissurations HIC et SSC, sur les paramètres influant les différentes étapes de fissuration. Une meilleure compréhension des mécanismes de fissuration est également permise par l'application de cette méthodologie de monitoring. La comparaison entre différents aciers exposés à différents environnements fragilisant et avec ou sans contraintes appliquées permet de distinguer très clairement les différentes formes de fissuration : HIC ou Step Wise Cracking, SWC, SSC ou Stress Oriented Hydrogen Induced Cracking, SOHIC<br>Many steel equipments used in oil and gas industry are subjected to wet H2S cracking. In order to improve the understanding of this type of cracking, Acoustic Emission (AE) was used for the monitoring of steels exposed to wet H2S. AE related to both most important crackin modes in this media, i. E. , Hydrogen lnduced Cracking (HIC} and Sulfide Stress Cracking (SSC), were discriminated from the other AE sources signals (H2 evolution, iron sulfide layer formation). Using this methodology, real-time monitoring of cracking is possible, offering new insights into the kinetics of cracking, and into the impact of several parameters on the different steps of cracking. A better understanding of the different cracking mechanisms is another output of this study. From the comparisons between different steel grades exposed to H2S environments with or without applied load allows, different cracking modes can be clearly distinguished: HIC vs. SWC (Step Wise Cracking), and SSC vs. SOHIC (Stress Oriented Hydrogen lnduced Cracking)

Les aciers THLE ont la particularité de posséder à la fois une bonne ductilité et de hautes caractéristiques mécaniques. Ceci les rend particulièrement adaptés pour l'industrie automobile, dont les principales exigences sont l'allègement du véhicule et la sécurité des passagers. Toutefois, il est bien connu que l'augmentation des caractéristiques mécaniques accroît la susceptibilité à la fragilisation par l'hydrogène. Ce travail de thèse est consacré à l'étude de la susceptibilité vis-à-vis de la fragilisation par l'hydrogène de quatre aciers THLE : un DP, un TRIP, un CP et le BAS 100, un acier enrichi en vanadium et chrome. Un acier aux propriétés mécaniques plus modestes, dénommé HE (Haute Elasticité) a servi de référence. Les caractéristiques de transport de l'hydrogène dans ces aciers ont été étudiées, grâce à des essais de perméation électrochimique avec chargement en milieu acide, éventuellement additionné d'un promoteur d'hydrogénation (l'arsenic). Comme observé sur d'autres aciers, il faut souligner l'absence de conditions d'entrée stationnaires, dont il faut tenir compte dans l'évaluation des caractéristiques de diffusion. La diffusivité à température ambiante est apparue élevée pour tous les aciers, et une corrélation a été établie entre la microstructure et la diffusivité de l'hydrogène dans le matériau : plus la microstructure est fine et complexe, moins la diffusivité est élevée. De plus, l'évaluation des concentrations subsurfaciques sur les courbes en présence d'arsenic a révélé des valeurs relativement élevées pour les trois aciers aux caractéristiques mécaniques les plus élevées (TRIP 800, CP 800 et BAS 100). Ces valeurs sont conformes avec les teneurs en hydrogène diffusible mesurées par dosage juste après la perméation. Les dosages d'hydrogène résiduel, réalisés par désorption thermique sous vide après perméation, ont par ailleurs indiqué que le piégeage profond dans ces aciers était peu important, même après chargement sous polarisation et en présence d'arsenic. Ceci peut s'expliquer par des structures très bien élaborées, très fines et comportant peu de défauts. Des essais de traction ont montré qu'une hydrogénation sévère (en présence d'un promoteur) était nécessaire pour obtenir une fragilisation notable des aciers THLE. Hormis les cas extrêmes de dégradation spontanée par HIC (cloquage, fissuration), la fragilisation est imputable à l'hydrogène diffusible ou faiblement piégé car les teneurs en hydrogène piégé profondément restent négligeables. Dans les conditions industrielles, en décapage acide HCl en présence d'inhibiteurs, les résultats de perméation, de dosage et de traction s'accordent à montrer l'absence de fragilisation sur ce type d'acier. Les inhibiteurs testés semblent jouer un rôle de barrière physique, par adsorption sur le métal nu, limitant ainsi tant l'entrée d'hydrogène que la corrosion.

Les aciers inoxydables austéno-ferritiques sont caractérisés par des propriétés mécaniques élevées et par une bonne résistance à la corrosion, notamment à la corrosion sous contrainte et par piquration. En revanche, leur structure duplex montre une sensibilité à la fragilisation par l'hydrogène. Parmi les aciers inoxydables austéno-ferritiques, la nuance z2cnd22 05 s'est progressivement imposée comme nuance de base et elle est la plus répandue des nuances austéno-ferritiques actuellement utilisées. Dans cette étude, nous avons analysé le comportement mécanique en traction et la cinétique de fissuration par fatigue de l'acier inoxydable austéno-ferritique z2cnd22 05, chargé ou non en hydrogène après différents traitements thermiques de revenu. Les températures et les durées des traitements thermiques de revenu ont été choisies avec la double finalité de fournir une caractérisation la plus complète possible de l'influence de toutes les phases secondaires, carbures et nitrures et, en plus, d'analyser d'une façon plus approfondie les températures critiques connues par la bibliographie et les résultats des essais de traction. De plus, nous avons perfectionné une technique d'évaluation du coefficient de diffusion, solution alternative à la mesure par perméation. Par ailleurs, nous avons utilisé la technique de l'analyse thermique pour mesurer l'énergie d'activation des pièges présents dans l'acier à l'état de livraison. Les résultats obtenus permettent d'établir les conclusions suivantes : - les joints de grains et les dislocations ont une influence négligeable sur le processus de diffusion de l'hydrogène - la quantité d'hydrogène absorbé dépend de la microstructure : la présence d'autres phases secondaires, carbures et nitrures dans la ferrite diminue fortement cette quantité. Cette diminution est probablement due a une variation de la solubilité et de la diffusivité de l'hydrogène - le chargement en hydrogène de l'acier duplex implique une forte diminution de #m% pour toutes les températures de revenu, sauf a 1050c ou la densité des dislocations est très basse et toutes les phases secondaires, carbures et nitrures, sont dissoutes. - le chargement en hydrogène de l'acier duplex n'induit pas de variation de r#e, tandis que la diminution de r#m dépend de la microstructure. L'indice fragilisation f permet de mettre en évidence l'influence positive de la décomposition spinodale et de la précipitation de la phase G. L'utilisation de l'indice de fragilisation % permet de montrer que la précipitation de la phase implique une fragilisation par l'hydrogène plus élevée, malgré des quantités inferieures d'hydrogène absorbe - l'acier duplex a l'état de livraison, charge en hydrogène, présente la possibilité de récupérer complètement ses propriétés mécaniques grâce a un traitement thermique de revenu à basse température (< 250°C) - la fissuration par fatigue a l'air ne varie pas avec la fréquence (entre 10 et 50 Hz) ni avec la direction de charge (lt ou Tl). Les modifications microstructurales dans la ferrite après revenu a 475c ou a 800c modifient la vitesse de fissuration dans les stades ii et iii, mais pas sur le stade de seuil - la fissuration de l'acier duplex sous chargement d'hydrogène en conditions potentiostatiques dans l'eau de mer n'a pas lieu - la fissuration de l'acier duplex sous chargement en conditions potentiostatiques dans une solution aqueuse d'acide sulfurique a lieu avec des vitesse plus élevées dans les trois stades de propagation, car outre la fragilisation de la ferrite, il y a un début de fragilisation de l'austénite. L’importance de l'influence de l'hydrogène est différente suivant les valeurs de k. La formation des stries a toujours lieu dans l'austénite et dans la ferrite, avec une distance entre stries qui dépend de la vitesse macroscopique, du libre parcours moyen de l'hydrogène dans la ferrite et dans l'austénite et de la dimension de la zone plastique réversible.

Ce chapitre présente l'état actuel de nos connaissances concernant les aspects métallurgiques de la fragilisation par l'hydrogène et de la rupture différée dans les nuances modernes avancées d'acier à haute résistance. Les méthodes de caractérisation de ces propriétés sont décrites, ainsi que l’optimisation des compositions chimiques et des microstructures permettant d’assurer la tenue à l’hydrogène de ces aciers.