Présentation
RÉSUMÉ
Le problème de la fragilisation par l’hydrogène demeure actuel malgré la mise en place de normes et de spécifications pour éviter les ruptures différées. Pour y remédier, on effectue des traitements de dégazage, après les traitements de surface par voie chimique ou électrolytique, dont la durée minimum de « dégazage » est uniquement fixée en fonction de la résistance mécanique à la rupture de l’acier. Si des problèmes persistent, cela veut probablement dire qu’il existe des parts d’ombre dans la compréhension des mécanismes de désensibilisation à la fragilisation. Cet article permettra de développer une nouvelle approche de l’interprétation de l’effet bénéfique du traitement de « dégazage ».
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H-embrittlement remains a problem for mechanical industries. Despite “degassing” heat treatment specifications and standards to avoid time-dependent rupture for quench/temper steel. The minimal heat treatment time depends only on the mechanical strength. The persistence of the problem, it means that the mechanism to avoid the H-embrittlement is not clear. The assumption that the degassing heat treatment might increase the hydrogen amount in the steel matrix is further explore. This article’s objective is to develop a new approach of the heat treatment function.
Auteur(s)
-
Alexandre FLEURENTIN : Expert judiciaire près la cour d’appel de Paris - METALLO CORNER, Paris, France
INTRODUCTION
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 1re 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.
Points clés
Domaine : aéronautique, automobile, énergie
Degré de diffusion de la technologie : croissance
Technologies impliquées : revêtements électrolytiques, chimiques, traitement de dégazage
Domaines d’application : visserie, ressort, pièces d’assemblage
Principaux acteurs français :
– Industriels : Hacer, Métallo Corner
Contact : [email protected] / http://www.metallocorner.fr
KEYWORDS
hydrogen embrittlement | degasing heat treatment | tracking heat treatment
DOI (Digital Object Identifier)
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3. Nouvelle approche de la fragilisation par l’hydrogène
Malgré « l’aspect vital » de l’opération dite de « dégazage » sur des pièces industrielles durcies, revêtues par voie électrolytique et mises sous contrainte en condition de fonctionnement, nous avons montré dans ce qui précède que pendant le traitement de « dégazage », l’hydrogène peut diffuser du revêtement de zinc vers l’acier (VD SiCr, C10 et C60) ou vice-versa (11SMnPb37 ; 20MnB5) (figure 3). De plus, il a été démontré que l’hydrogénation possible de la matrice activée thermiquement pendant l’opération de « dégazage » n’était pas une source de fragilisation de l’acier une fois mis sous contrainte (figures 6 et 7).
Compte tenu du fait que seul l’hydrogène diffusible est à l’origine des ruptures différées associées à la fragilisation par l’hydrogène, on peut supposer que le traitement de « dégazage » est avant tout un traitement de « piégeage ». En effet, si en multipliant par 3 voire par 6 (figure 4) la teneur en hydrogène dans la matrice après le traitement thermique qui suit le revêtement la matrice ne s’est pas fragilisée, cela signifie que l’hydrogène introduit dans le substrat a été piégé suffisamment en profondeur et de façon irréversible (d’un point de vue thermodynamique) pour ne pas être mobile au moment de la mise sous contrainte.
Il existe...
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Nouvelle approche de la fragilisation par l’hydrogène
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MARTIN (F.), FEAUGAS (X.), OUDRISS (A.), TANGUY (D.), BRIOTTET (L.), KITTEL (J.) - State of Hydrogen in Matter : Fundamental Ad/Absorption, Trapping and Transport Mechanisms. - In : C. Blanc, I. Aubert (Eds.), Mechanics – Microstructure – Corrosion Coupling, Elsevier, 8, p. 171-197 (2019).
-
(2) - FEAUGAS (X.), DELAFOSSE (D.) - Hydrogen and Crystal Defects Interactions : Effects on Plasticity and Fracture. - In : C. Blanc, I. Aubert (Eds.), Mechanics – Microstructure – Corrosion Coupling, Elsevier, 9, p. 199-222 (2019).
-
(3) - ORIANI (R.) - * - . – Acta Met., vol. 18, n° 1, p. 147-157 (1970).
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(4) - CHOO (W.Y.), JAI (Y.L.) - * - . – Met. Trans., 13A, 1, p. 135-140 (1982).
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(5) - OUDRISS (A.), MARTIN (F.), FEAUGAS (X.) - Experimental Techniques for Dosage and Detection of Hydrogen. - In : C. Blanc, I. Aubert (Eds.), Mechanics – Microstructure – Corrosion Coupling, Elsevier, 11, p. 245-268 (2019).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Standard Guide for Post-Coating Treatments of Steel for Reducing the Risk of Hydrogen Embrittlement. - ASTM B850 - 2015
-
Metallic coatings – Electroplated zinc and zinc alloy coatings on iron or steel with supplementary Cr(VI)-free treatment. - DIN 50979 - 2008
-
Metallic and other inorganic coatings – Post-coating treatments of iron or steel to reduce the risk of hydrogen embrittlement. - ISO 9588 - 2007
-
Aciers à haute résistance pour ouvrages de génie civil – Évaluation par l'essai de traction lente de l'effet fragilisant d'un milieu. - NF A05-304 - 1981
-
Série aérospatiale – Fragilisation des aciers par l'hydrogène – Essai par flexion lente.La norme NF EN 2831 spécifie la méthode par flexion lente qui permet d'évaluer la fragilisation des aciers par l'hydrogène formé lors de l'application de traitements de surface chimiques ou électrolytiques. Cet essai permet également de vérifier le retour éventuel à la ductilité initiale par traitement de dégazage. - NF EN 2831 - 2013
-
Standard test method for measurement of Hydrogen – Embrittlement in steel by the incremental step loading...
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