Fragilisation par l'hydrogène: comment l'acier perd sa ductilité est la perte de ténacité et de ductilité qui se produit lorsque l'hydrogène atomique est absorbé dans le réseau métallique, permettant à des aciers à haute résistance de se fissurer de façon fragile sous des contraintes appliquées ou résiduelles bien inférieures à leur limite d'élasticité.
La rupture est souvent retardée, apparaissant des heures ou des jours après la mise en charge, ce qui en fait l'un des mécanismes de dégradation les plus dangereux auxquels un ingénieur maintenance ou intégrité peut être confronté.
La fragilisation par l'hydrogène est provoquée par des atomes d'hydrogène isolés, et non par des molécules d'hydrogène.
L'hydrogène atomique est suffisamment petit pour diffuser à travers le réseau du fer et se concentrer dans les zones de forte contrainte telles que les pointes de fissure, les inclusions, les joints de grain et les cœurs de dislocations.
Une fois concentré, l'hydrogène diminue la cohésion du métal et réduit l'énergie nécessaire pour ouvrir une fissure. Sous une contrainte de traction soutenue, le matériau peut alors céder par clivage ou rupture intergranulaire, alors qu'un essai de traction standard sur matériau neuf montrerait une ductilité importante.
Deux caractéristiques définissent le mécanisme et le distinguent d'une surcharge ordinaire :
L'hydrogène peut pénétrer dans l'acier pendant la fabrication, la transformation ou en service. Les sources les plus courantes incluent :
La sensibilité augmente fortement avec la résistance et la dureté. Les aciers ferritiques doux et à faible résistance tolèrent l'hydrogène absorbé avec peu d'effet, tandis que les aciers martensitiques trempés et revenus peuvent se fissurer facilement. La variable de contrôle dans la plupart des spécifications est la dureté, qui corrèle avec la résistance à la traction et le risque de fragilisation.
| État de l'acier | Résistance à la traction approximative | Dureté typique | Risque de fragilisation |
|---|---|---|---|
| Acier doux à faible teneur en carbone (état laminé) | Inférieure à 700 MPa | Inférieure à 22 HRC | Faible |
| Acier allié de résistance moyenne | 700 à 1000 MPa | 22 à 32 HRC | Modéré |
| Acier haute résistance trempé et revenu | 1000 à 1400 MPa | 33 à 40 HRC | Élevé |
| Ultra-haute résistance (fixations, ressorts) | Supérieure à 1400 MPa | Supérieure à 40 HRC | Sévère |
C'est pourquoi les boulons grade 12.9, les aciers de trains d'atterrissage d'avions et les aciers pour ressorts exigent un contrôle strict des procédés, tandis que les sections structurelles ordinaires posent rarement problème.
La fragilisation par l'hydrogène se confond facilement avec d'autres modes de fissuration, et la distinction importe pour l'analyse des causes profondes. Elle ne doit pas être confondue avec la croissance par chargement cyclique de la fatigue métallique , qui nécessite une contrainte fluctuante.
Elle chevauche aussi, sans être identique à, la corrosion sous contrainte assistée par l'environnement ( corrosion sous contrainte ), où un corrodant spécifique et une contrainte de traction agissent conjointement.
En service sour, les deux peuvent se produire côte à côte, si bien qu'un examen fractographique et environnemental est généralement nécessaire pour attribuer la cause correcte.
La fragilisation par l'hydrogène est évitable lorsque les procédés et les matériaux sont maîtrisés. Les mesures éprouvées incluent :
Parce que les fissures sont étroites et souvent sous la surface, les contrôles non destructifs de surface et volumétriques jouent tous deux un rôle.
Les fissures superficielles fines dans des composants ferromagnétiques sont couramment détectées par examen par particules magnétiques , tandis que les méthodes ultrasonores cartographient les cloques HIC internes et les fissures en escalier.
Comme la rupture est retardée, les intervalles d'inspection doivent tenir compte de la période d'incubation après la mise en service d'une pièce.
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Si la fissuration n'est pas encore survenue, l'hydrogène absorbé peut souvent être éliminé par un chauffage rapide (bake), restaurant la majeure partie de la ductilité. Une fois qu'une fissure s'est formée, les dommages sont permanents et la pièce doit être remplacée. Le chauffage n'est efficace qu'avant la rupture et s'il est réalisé peu de temps après la charge en hydrogène.
L'hydrogène doit diffuser à travers le réseau et s'accumuler dans les zones sollicitées avant que la concentration locale ne soit suffisante pour initier une fissure. Cette diffusion prend du temps, de sorte que des pièces peuvent réussir des essais de charge initiaux puis céder des heures ou des jours plus tard sous contrainte soutenue.
Pour les aciers au carbone et faiblement alliés en environnements humides H2S, un maximum de 22 HRC est la limite couramment fixée par NACE MR0175 / ISO 15156, en complément des contrôles de microstructure et de soudage. Les matériaux de dureté supérieure nécessitent une qualification spécifique.
Les aciers inoxydables austénitiques sont beaucoup moins susceptibles en raison de leur structure cubique à faces centrées et de leur faible diffusivité de l'hydrogène. En revanche, les nuances inoxydables martensitiques à haute résistance et durcies par précipitation peuvent néanmoins être fragilisées et nécessitent les mêmes contrôles de dureté et de procédé.
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