La fragilisation des métaux par l’hydrogène

Résumé du document

Cette étude générale concerne le comportement de matériaux métalliques au contact d'environnements agressifs. Nous étudierons plus spécialement la fragilisation des matériaux par l'hydrogène, ainsi que des techniques de lutte contre la « corrosion ».
L'industrie est en permanence confrontée aux problèmes de la corrosion des équipements, dont il découle un surcoût d'exploitation par suite de l'arrêt, de l'entretien ou du remplacement des installations défectueuses. Il en résulte également des conséquences sur la fiabilité des appareillages et la sécurité des personnes utilisatrices de ceux-ci. Enfin la pollution de l'environnement peut provenir de problèmes de corrosion mal maîtrisés ou créer par elle-même des problèmes de corrosion ( pluies acides par exemple ).
C'est pourquoi les équipements industriels doivent répondre à des exigences technologiques de plus en plus sévères relatives à des exigences de qualité, de durabilité, de fiabilité, de sécurité, d'aptitudes de fonctionnement, et de coût.
A l'heure actuelle, faire des études sur la corrosion et l'anticorrosion (c'est-à-dire la presque globalité de la fragilisation par l'hydrogène), c'est prendre en compte des concepts macroscopiques de piqûrations, fissurations, rupture des matériaux, … indispensables au mécanicien et au physicien, mais aussi à l'ingénieur confronté aux problèmes de production et de maintenance des équipements industriels.
Ainsi nous allons axer notre étude sur trois grands points : les mécanismes de fragilisation des aciers par l'hydrogène, les manifestations industrielles, et enfin des propositions de lutte et de prévention dans les cas de fragilisation non souhaitée.

Extraits

[...] a.4) Analyse Les conditions d'existence de ces différents types de rupture, dépendent de trois paramètres : contrainte, matériau et activité en hydrogène. En général, la fissuration inter-granulaire se produit dans les conditions les plus sévères, le quasi- clivage se produisant dans les situations intermédiaires entre la rupture intergranulaire et la rupture à cupules. Essais mécaniques en présence d'hydrogène b.1) Essais sous chargement statique (essais de rupture différée) Ces essais consistent à déterminer la durée de vie à rupture d'une éprouvette soumise à une contrainte constante. [...]

[...] La valeur et le signe de l'enthalpie de dissolution caractérisent la nature exothermique ou endothermique de la réaction de dissolution ; cette dernière est endothermique dans le cas du fer et des aciers. Cette enthalpie peut varier considérablement en fonction de la structure cristalline du métal. Pénétration à partir d'un environnement gazeux : La pénétration d'hydrogène est ici contrôlée par la cinétique très lente de dissociation de la molécule. Cet effet barrière associé à la présence de couche d'oxyde ou physi- ou chimisorbées, est un paramètre à prendre en considération dans les études de diffusion d'hydrogène gazeux. [...]

[...] La valeur de son coefficient de diffusion correspond à un parcours quadratique moyen de l'ordre de 1 mm en 1 min à 20ºC dans le fer ( et explique sa très grande aptitude à pénétrer dans les aciers. Electroniquement L'aptitude de l'hydrogène interstitiel à transférer tout ou partie de sa charge électronique aux atomes proches voisins est à l'origine de son rôle particulier sur la cohésion des réseaux métalliques et, notamment, de son effet fragilisant. Pour résumer, ces quelques caractéristiques : faible solubilité (tendance à la ségrégation), forte mobilité (aptitude à la ségrégation), grand volume molaire partiel (sensibilité à la présence de champs de contrainte), forte interaction électronique (aptitude à une modification de l'environnement électronique des atomes du métal), sont à l'origine des phénomènes de piégeage et constituent la base des propriétés fragilisantes de l'hydrogène présent à température modérée dans les aciers. [...]

[...] La vitesse de réaction est fonction de la surtension hydrogène caractéristique des conditions d'essais et du métal. Solubilité de l'hydrogène dans le fer : Les concentrations en hydrogène s'expliquent par le phénomène de piégeage de l'hydrogène sur les défauts micro-structuraux. Ce dernier résulte de la faible solubilité de l' hydrogène dans le fer. a.4) Diffusion et perméabilité de l'hydrogène Diffusion interstitielle : Du fait de sa faible solubilité, l'hydrogène diffuse dans le fer selon les mécanismes classiques de diffusion (lois de Fick). [...]

[...] L'effet fragilisant de l'hydrogène rencontré dans la pratique est fréquemment une combinaison de mécanismes du type de ceux présentés ci- dessus qui interviennent à la fois sur l'entrée de l'hydrogène dans le matériau et sur son endommagement. II. MANIFESTATIONS INDUSTRIELLES On peut distinguer différentes situations où la présence d'hydrogène peut impliquer des risques d'endommagement au niveau industriel. Ainsi on fera la différence entre les endommagements liés à des sources d'hydrogène internes au matériau et les sources de d'hydrogène externe de forte ou de faible activité. On prendra également en compte le type de contrainte appliquée au matériau. [...]