Comprendre la Fragilisation par l'Hydrogène : Causes, Effets et Prévention

La fragilisation par l'hydrogène est le résultat de l'absorption d'hydrogène par des métaux sensibles, entraînant une perte de ductilité et une réduction de la capacité de charge. Une contrainte inférieure à la limite d'élasticité du matériau fragilisé peut entraîner des fissures et une défaillance fragile catastrophique. La fragilisation par l'hydrogène est également appelée fissuration induite par l'hydrogène ou attaque par l'hydrogène.

À température ambiante, les atomes d'hydrogène peuvent être absorbés dans le réseau métallique et diffuser à travers les grains. L'hydrogène absorbé peut être présent soit sous forme atomique, soit sous forme moléculaire combinée. Quelle que soit la forme, les atomes ou molécules se combinent pour former de petites bulles aux joints de grain du métal. Ces bulles agissent comme des concentrateurs de pression, augmentant la pression entre les grains métalliques. La pression peut augmenter jusqu'à des niveaux où le métal a une ductilité réduite, causant la formation de microfissures à l'intérieur du matériau. La fissuration est intergranulaire. C'est-à-dire que la fissure se propage le long des joints de grain du métal. (Pour en savoir plus sur le sujet, voir Cloquage par l'Hydrogène et Fragilisation par l'Hydrogène : Causes et Mesures Préventives.)

Un exemple de défaillance due à la fragilisation par l'hydrogène est montré dans la figure ci-dessous. L'image de gauche montre une vue macroscopique d'un boulon en acier chromé fracturé. L'image de droite montre une image au microscope électronique à balayage de la surface de fracture. L'apparence facettée de la surface de fracture est indicative d'une fracture intergranulaire. Le boulon est devenu fragilisé pendant le processus de chromage électrolytique.

Il y a trois facteurs requis pour la défaillance due à la fragilisation par l'hydrogène :

1. Un matériau sensible
2. Une exposition à un environnement contenant de l'hydrogène
3. La présence de contrainte de traction due à des contraintes résiduelles et/ou appliquées

Les aciers au carbone à haute résistance et les aciers faiblement alliés sont les alliages les plus vulnérables à la fragilisation par l'hydrogène. Les aciers avec une résistance à la traction ultime inférieure à 1000 MPa ou une dureté inférieure à 30 HRC ne sont généralement pas considérés comme sensibles à la fragilisation par l'hydrogène. (Un autre exemple peut être trouvé dans l'article Problèmes de Fragilisation par l'Hydrogène avec le Zinc : Nouvelles Directives Discutées.)

L'hydrogène entre et diffuse à travers une surface métallique à température ambiante ou élevée. Cela peut se produire pendant diverses opérations de fabrication et d'assemblage ou d'utilisation opérationnelle — partout où le métal entre en contact avec de l'hydrogène atomique ou moléculaire.

Les processus qui peuvent mener à la fragilisation par l'hydrogène incluent le phosphatage, le décapage acide, le chromage électrolytique et le soudage à l'arc. Pendant ces processus, il y a une possibilité d'absorption d'hydrogène par le matériau. Par exemple, pendant le soudage à l'arc, l'hydrogène est libéré de l'humidité (par exemple dans le revêtement des électrodes de soudage ; pour minimiser cela, des électrodes à faible teneur en hydrogène sont utilisées pour souder les aciers à haute résistance).

Pendant l'utilisation, l'hydrogène peut être introduit dans le métal à la suite de la corrosion, de réactions chimiques du métal avec des acides, ou avec d'autres produits chimiques — notamment le sulfure d'hydrogène dans la fissuration par corrosion sous contrainte sulfureuse.

Quant à la contrainte pour causer la fracture, même une contrainte résiduelle dans un composant peut être suffisante.

Les mesures qui peuvent être prises pour éviter la fragilisation par l'hydrogène incluent la réduction de l'exposition à l'hydrogène, ainsi que la cuisson après le placage et les autres traitements qui mènent à l'absorption d'hydrogène. La cuisson permet à l'hydrogène de diffuser hors du métal. Si la cuisson n'est pas une option, alors l'utilisation d'aciers à résistance plus faible et la réduction des contraintes résiduelles et appliquées sont des moyens possibles d'éviter la fracture due à la fragilisation par l'hydrogène. Ce peuvent être les meilleures options pour les circonstances qui entraînent l'absorption d'hydrogène tandis qu'un composant est en service.

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L'article et les images sont parus précédemment sur https://www.imetllc.com/hydrogen-embrittlement-steel/. Réimprimé avec permission. Copyright Industrial Metallurgists, LLC.