Fragilisation par l’hydrogène de l’acier inoxydable à durcissement structural 17-4 PH. Étude de la diffusion de l’hydrogène par permeation électrochimique. Rôle de microstructure

Abstract

L’acier inoxydable martensique à durcissement structural 17-4 PH est utilisé dans beaucoup de secteurs industriels tel que l’aéronautique, le nucléaire ou l’industrie pétrolière car il possède des propriétés mécaniques très intéressantes ; mais comme tous les aciers à hautes caractéristiques mécaniques, il présente un risque de fragilisation en présence d’hydrogène. Nous avons entrepris dans cette thèse d’étudier ce phénomène, d’abord à l’aide de la méthode de perméation électrochimique en absence de contraintes mécaniques, ensuite en présence de contraintes à l’aide d’essais de traction lente. Dans les deux cas, le rôle des traitements thermiques de vieillissement utilisés pour modifier la microstructure a été pris en compte. Afin de suivre l’évolution de la microstructure, différentes techniques ont été utilisées : l’analyse thermique différentielle par microcalorimétrie à balayage DSC, l’observation par microscopie à balayage EDS, l’analyse chimique de phases ou particules par spectrométrie à sélection d’énergie EDS et l’analyse par diffraction des rayons X. Les traitements thermiques de vieillissement provoquent des variations de la microstructure qui devient hétérogène par suite notamment de la formation de précipités. Les hétérogénéités microstructurales sont des sites de piégeage pour l’hydrogène mobile. Ce dernier est évalué par le calcul de la concentration à la surface d’entrée par la technique de perméation électrochimique, alors que les quantités piégées sont évaluées par la mesure de la quantité d’hydrogène dégazé à 600°C (sous vide) ou à fusion, après un chargement cathodique préalable. La nature des interactions de l’hydrogène avec ces sites provoque des modifications dans la résistance de l’acier inoxydable A7-4 PH à la fragilisation par l’hydrogène (FPH). Nous avons pu établir une corrélation entre les résultats de diffusion et ceux obtenus par la méthode de traction lente d’éprouvettes, chargées ou non en hydrogène. Les deux méthodes ont montré respectivement que cet acier présente un domaine de température de vieillissement situé entre 430°C et 500°C (dépendant de la durée de vieillissement), où le coefficient de diffusion apparent et la résistance mécanique en absence d’hydrogène est maximale, tandis que la perméabilité, la solubilité et le piégeage sont plus faibles, la résistance mécanique, sensible à la présence d’hydrogène, diminue dans ce domaine. Ce résultat est dû à l’apparition d’une phase riche en cuivre pour de courtes durées de vieillissement (1 à 4 heures). L’acier est le plus fragile, comme on s’y attendait, là où sa résistance mécanique est la plus élevée ; cependant, il ne perd pas complètement sa ductilité. Ce résultat est attribué à l’effet bénéfique de la phase ɛ riche en cuivre, qui jouerait le rôle de repoussoir pour l’hydrogène quand elle est cohérente. Le mécanisme de rupture montre qu’en présence d’hydrogène, le type de rupture peut être de type clivage dû à la fragilisation des interfaces latte-latte où les particules ɛ cohérentes sont précipitées, ou de type inter granulaire provoqué par la précipitation de la phase ɛ non cohérente aux interfaces extrémités des lattes-joints de grains.