Fragilisation par l'hydrogène

La fragilisation par l'hydrogène est un phénomène qui provoque la fissuration des métaux au contact de l'hydrogène. Le rôle de l'hydrogène dissous dans un métal est connu depuis la fin du XIX^e siècle.

Fissure d'un acier trempé due à l'hydrogène, observée au microscopie électronique à balayage.

L'hydrogène peut se mettre en solution :

au cours de l'élaboration du métal (hydrogène endogène) (réduction du minerai, coulée du lingot ou coulée continue), d'où l'importance du dégazage du métal en fusion et de la maîtrise de l'humidité ;
au cours d'une réaction chimique volontaire, comme l'électrozingage, et de manière générale les réactions électrolytiques ;
lors du soudage ;
lors de la corrosion.

Mécanismes de fragilisation

L'hydrogène fragilise le métal selon plusieurs mécanismes[1] :

pression interne d'hydrogène : l'hydrogène dissous peut se recombiner dans une cavité (pore) pour former une « bulle » ; si la pression dans cette cavité devient importante, typiquement 10⁵ Pa, une fissure peut apparaître. Une telle situation nécessite une fugacité importante, que l'on rencontre en cas de réaction d'oxydo-réduction en milieu aqueux, mais pas en atmosphère d'hydrogène ;
affaiblissement des liaisons entre les atomes : les atomes d'hydrogène, en se glissant dans les sites interstitiels entre les atomes de métal, diminueraient la résistance à la rupture du métal. Ce phénomène nécessite une concentration importante d'hydrogène, que l'on peut rencontrer en fond de fissure (l'état de contrainte triaxial distord le cristal et augmente la solubilité de l'hydrogène). On soupçonne ce mécanisme essentiellement pour les alliages à haute résistance ;
diminution de la ductilité : les atomes d'hydrogène peuvent interagir avec les dislocations et donc modifier la capacité à la déformation plastique, selon deux mécanismes antagonistes mais tous deux fragilisants :
- diminution de la plasticité, donc de l'énergie de rupture en fond de fissure,
- augmentation de la plasticité, donc concentration locale de déformation plastique ;
formation de phases fragiles, comme des hydrures ou de la martensite (l'hydrogène jouant le rôle du carbone).

Notes et références

Philibert et al. 2002, p. 1100-1103.

Voir aussi

Bibliographie

(en) W. H. Johnson, « On some remarkable changes produced in iron and steel by the action of hydrogen and acids », Proceedings of the Royal Society of London, n^o 23,‎ 1875, p. 168–179 (DOI 10.1098/rspl.1874.0024, lire en ligne), première tentative significative d'explication et publication classique sur la découverte de la fragilisation du fer et des aciers par l'hydrogène. Cité par Lynch S.P., 2007.
S. P. Lynch (2007-03-11) « Progress towards understanding mechanisms of hydrogen embrittlement and stress corrosion cracking » dans Corrosion 2007 , OnePetro. Consulté le 2022-06-04.
Jean Philibert, Alain Vignes, Yves Bréchet et Pierre Combrade, Métallurgie, du minerai au matériau, Dunod, 2002, 1177 p. (ISBN 978-2-10-006313-0), p. 897-900, 1079-1080, 1094, 1100-1103

Normes

ASTM F519 - 12a Standard Test Method for Mechanical Hydrogen Embrittlement Evaluation of Plating/Coating Processes and Service Environments
ASTM G142-98(2004) Standard Test Method for Determination of Susceptibility of Metals to Embrittlement in Hydrogen Containing Environments at High Pressure, High Temperature, or Both

Articles connexes

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[PhilibertVignesBréchetCombrade20021100-1103-1] Philibert et al. 2002, p. 1100-1103.