Nouvelle approche de la fragilisation par l’hydrogène - Dégazage et hydrogénation

Le phénomène de fragilisation par l'hydrogène associé aux aciers durcis au-delà de 30 HRC et revêtus conduit à une rupture différée une fois la pièce mise sous contrainte, entraînant la perte totale de l'intégrité des structures métalliques. Ce phénomène affecte de nombreux éléments structurels de l'industrie et en particulier les éléments de fixation dans les industries de l'automobile et de l'aéronautique, où les aciers trempés revenus sont utilisés. Pour améliorer la résistance à la corrosion ou le comportement tribologique d’un système, des opérations de traitement de surface par voie électrolytique ou chimique sont généralement réalisées selon différents procédés. Ces opérations conduisent à une introduction d’hydrogène pouvant engendrer une fragilisation de la pièce métallique. Par ailleurs, dans l’objectif d’un allégement des structures et d’une augmentation de leur durée de vie, les propriétés mécaniques telles que la résistance à la rupture des éléments métalliques sont revues à la hausse, ce qui a pour conséquence d’augmenter la sensibilité de ces produits à l’endommagement assisté par l’hydrogène. Cette sensibilité peut se manifester pour des concentrations d’hydrogène relativement faibles (bien en dessous de la limite de solubilité). Face à cette problématique, il est nécessaire de réaliser un traitement dit de « dégazage » pour des pièces trempées revenues, revêtues par voie électrolytique ou chimique et mécaniquement mise en tension lors de leur utilisation. Pour cela, on se réfère à de nombreuses normes (ISO 9588, ASTM B850, DIN 50979) qui fixent la durée minimum de « dégazage » à une température comprise entre 190 °C et 220 °C en fonction de la résistance à la rupture du produit. Ces normes introduisent également un temps maximal interopération (3 à 4 h) entre la 1^re opération « génératrice d'hydrogène » de la gamme de revêtement (décapage ou traitement de surface électrolytique ou chimique) et le démarrage du « dégazage ».

Il est important de rappeler que la durée de « dégazage » est donnée à titre indicatif et repose uniquement sur la résistance à la rupture de la pièce revêtue. D’autres paramètres importants ne sont pas pris en compte tels que la forme et le volume de la pièce, les conditions d’utilisation du produit (par exemple le couple de serrage), le type et l’épaisseur de revêtement, la composition chimique de l’acier, la propreté inclusionnaire, l’état de précipitation, soit autant de paramètres qui peuvent influer sur le degré de sensibilité du produit à la fragilisation par l’hydrogène. Cependant, si le procédé de « dégazage » selon les conditions décrites ci-dessus a permis globalement de désensibiliser des produits à la rupture différée induite par l’hydrogène, d’un point de vue industriel, il reste que les mécanismes de désensibilisation à la fragilisation par l’hydrogène sont sujets à discussion. Cette réflexion fait l’objet de nombreux travaux de recherche appliquée à l’échelle du laboratoire et également au sein du monde industriel par le lancement de programmes de recherche de terrain qui seront décrits dans la suite de ce document.

Suite à ce constat, il a paru nécessaire d’apporter quelques éclaircissements sur les phénomènes mis en jeu au cours du traitement de « dégazage » à partir de cas réels. Ceci permettra de nous questionner sur la pertinence des normes existantes relatives au « dégazage » face à des matériaux présentant des propriétés mécaniques élevées, et de proposer une nouvelle approche du « dégazage » testée et validée sur des pièces industrielles.

Cet article aborde dans un premier temps le dégazage d’un point de vue physico-chimique en étudiant l’évolution de la teneur en hydrogène au cours de différents traitements de « dégazage » réalisés sur zingage sur des échantillons revêtus de zinc dont l’épaisseur est comprise entre 8 et 20 µm. Cette première partie permettra de savoir si le terme de « dégazage » est vraiment approprié. Dans un second temps, une approche mécanique sera développée en présentant l’impact du « dégazage » sur le comportement en traction de différentes pièces industrielles durcies par traitement thermique puis zinguées par voie électrolytique (vis, tiges ressorts…). À la lumière des résultats obtenus, une nouvelle approche est proposée pour mieux rendre compte des mécanismes de fragilisation de pièces revêtues mises sous contrainte et de la désensibilisation à la fragilisation après des traitements de « dégazage » appropriés.