Abstrait : Cet article traite de la fragilisation de l’acier au carbone par l’hydrogène. Cela comprend une discussion du mécanisme par lequel un acier devient fragilisé par l’hydrgogène, les circonstances qui mènent à la fragilisation, les effets de la fragilisation sur le comportement de l’acier, comment prévenir la fragilisation et les tests pour évaluer si un acier a été fragilisé.

La fragilisation par l’hydrogène est la perte de ductilité d’un métal et la réduction de la capacité de charge due à l’absorption d’atomes ou de molécules d’hydrogène par le métal. Le résultat de la fragilisation par l’hydrogène est que les composants se fissurent et se cassent à des contraintes inférieures à la limite d’élasticité du métal.

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Processus de fragilisation
À température ambiante, les atomes d’hydrogène peuvent être absorbés par les alliages d’acier au carbone. L’hydrogène absorbé peut être présent sous forme atomique ou moléculaire. Après un certain temps, l’hydrogène se diffuse jusqu’aux limites des grains du métal et forme des bulles à ces limites. Ces bulles exercent une pression sur les grains métalliques. La pression peut augmenter jusqu’à des niveaux où le métal présente une ductilité et une résistance réduites.

Situations conduisant à l’absorption d’hydrogène

L’hydrogène peut pénétrer et diffuser à travers l’acier même à température ambiante. Cela peut se produire au cours de diverses opérations de fabrication et d’assemblage ou lors de l’utilisation opérationnelle – partout où le métal entre en contact avec de l’hydrogène atomique ou moléculaire

Les procédés pour lesquels il existe une possibilité d’absorption d’hydrogène comprennent le décapage à l’acide et l’électroplacage. L’hydrogène est présent dans les bains de décapage acide. Lors de l’électroplacage, de l’hydrogène est produit à la surface du métal revêtu. Le décapage à l’acide est utilisé pour éliminer les dépôts d’oxyde de la surface de l’acier et l’électroplacage est couramment utilisé pour déposer du zinc sur les écrous, les boulons, les vis et autres éléments de fixation en acier afin de protéger l’acier contre la corrosion galvanique. D’autres revêtements électroplaqués sont utilisés pour différentes applications.

L’absorption d’hydrogène peut également se produire lorsqu’un composant est en service si l’acier est exposé à des acides ou si la corrosion de l’acier se produit.

Fracture intergranulaire

Un exemple de défaillance due à la fragilisation par l’hydrogène est illustré dans les figures ci-dessous. L’image de gauche montre une vue macroscopique d’un boulon en acier zingué fracturé. L’image de droite montre une image au microscope électronique à balayage de la surface de la fracture. Sur cette image, on peut voir les grains individuels à la surface de rupture du métal, ce qui indique une fracture intergranulaire. Le boulon s’est fragilisé pendant le processus d’électrodéposition du zinc.

La fissuration intergranulaire se produit lorsque des fissures se forment et se développent le long des joints de grains affaiblis dans un métal. Dans le cas de la fragilisation par l’hydrogène, les bulles d’hydrogène aux joints de grains affaiblissent le métal.

Conditions requises pour une défaillance due à la fragilisation par l’hydrogène

Il existe trois conditions requises pour une défaillance due à la fragilisation par l’hydrogène :

• Un matériau sensible.
• L’exposition à un environnement qui contient de l’hydrogène.
• La présence d’une contrainte de traction sur le composant.

Les aciers à haute résistance dont la résistance à la traction est supérieure à environ 145 ksi (1000 MPa) sont les alliages les plus vulnérables à la fragilisation par l’hydrogène.

Comme mentionné précédemment, l’exposition à l’hydrogène se produit pendant les étapes du processus de finition de surface, telles que le décapage à l’acide et l’électroplacage, et pendant le service si l’acier est exposé à des acides ou si une corrosion se produit.

En ce qui concerne la contrainte pour provoquer la rupture, même une contrainte résiduelle de traction à l’intérieur d’un composant peut être suffisante pour provoquer la rupture d’un matériau fragilisé.

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Prévenir la fragilisation par l’hydrogène

Les mesures qui peuvent être prises pour éviter la fragilisation par l’hydrogène comprennent la réduction de l’exposition à l’hydrogène et la cuisson après la galvanoplastie ou d’autres processus qui conduisent à l’absorption d’hydrogène. La fragilisation par l’hydrogène des composants électroplaqués peut être évitée en les cuisant à 375 à 430 °F (190 à 220 °C) quelques heures après le processus d’électroplacage. Pendant la cuisson, l’hydrogène se diffuse hors du métal.

Pour les applications où il y aura absorption d’hydrogène pendant qu’un composant est en service, l’utilisation d’aciers à plus faible résistance et la réduction des contraintes résiduelles et appliquées sont des moyens d’éviter la fracture due à la fragilisation par l’hydrogène.

Évaluation de la fragilisation par l’hydrogène

Enfin, il y a des tests qui peuvent être effectués pour évaluer si le traitement conduit à la fragilisation par l’hydrogène de l’acier. Voici deux de ces tests :

• ASTM F1940 Méthode d’essai standard pour la vérification de la maîtrise du processus afin de prévenir la fragilisation par l’hydrogène dans les fixations plaquées ou revêtues
• ASTM F519 Méthode d’essai standard pour l’évaluation de la fragilisation mécanique par l’hydrogène des processus de placage et des environnements de service

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