Une introduction à la fragilisation par l'hydrogène

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 une fissuration et une rupture 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 sous une forme atomique ou moléculaire combinée. Quelle que soit la forme, les atomes ou les molécules se combinent pour former de petites bulles aux joints de grains métalliques. Ces bulles agissent comme des concentrateurs de pression, créant la pression entre les grains métalliques. La pression peut augmenter à des niveaux où le métal a une ductilité réduite, provoquant la formation de minuscules fissures à l'intérieur du matériau. La fissuration est intergranulaire. C'est-à-dire que la fissure se développe le long des joints de grains métalliques. (Pour en savoir plus sur le sujet, consultez Bulles d'hydrogène et fragilisation par l'hydrogène :causes et mesures préventives .)

Un exemple de défaillance due à la fragilisation par l'hydrogène est illustré 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'aspect facetté de la surface de fracture indique une fracture intergranulaire. Le boulon s'est fragilisé pendant le processus de galvanoplastie au chrome.

Boulon fracturé et image au microscope électronique à balayage de la surface de fracture.

Il existe trois facteurs requis pour une défaillance due à la fragilisation par l'hydrogène :

1. Un matériau sensible
2. Exposition à un environnement contenant de l'hydrogène
3. La présence d'une contrainte de traction due à une contrainte résiduelle et/ou appliquée

L'acier au carbone à haute résistance et les aciers faiblement alliés sont les alliages les plus vulnérables à la fragilisation par l'hydrogène. Les aciers ayant une résistance ultime à la traction 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 :nouvelle orientation discutée .)

L'hydrogène pénètre et se diffuse à travers une surface métallique à des températures ambiantes ou élevées. Cela peut se produire lors de 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 conduire à la fragilisation par l'hydrogène comprennent la phosphatation, le décapage à l'acide, la galvanoplastie et le soudage à l'arc. Au cours de ces processus, il existe une possibilité d'absorption d'hydrogène par le matériau. Par exemple, lors du soudage à l'arc, de l'hydrogène est libéré de l'humidité (par exemple dans le revêtement des électrodes de soudage ; pour minimiser cela, des électrodes spéciales à faible teneur en hydrogène sont utilisées pour le soudage des aciers à haute résistance).

Pendant l'utilisation, de 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 sous contrainte du sulfure.

Quant à la contrainte pour provoquer une rupture, même une contrainte résiduelle à l'intérieur d'un composant peut être suffisante.

Les mesures qui peuvent être prises pour éviter la fragilisation par l'hydrogène comprennent la réduction de l'exposition à l'hydrogène, ainsi que la cuisson après placage et les autres traitements qui conduisent à l'absorption d'hydrogène. La cuisson permet à l'hydrogène de se diffuser hors du métal. Si la cuisson n'est pas une option, l'utilisation d'aciers à faible résistance et la réduction des contraintes résiduelles et appliquées sont des moyens possibles d'éviter la rupture due à la fragilisation par l'hydrogène. Celles-ci peuvent être les meilleures options pour les circonstances qui entraînent une absorption d'hydrogène lorsqu'un composant est en service.

***
L'article et les images ont déjà paru sur https://www.imetllc.com/hydrogen-frittlement-steel/ . Réimprimé avec permission. Droit d'auteur Industrial Metallurgists, LLC .