Characterization of the Effect of Hydrogen Embrittlement on the Fatigue Crack Propagation Behaviour of AISI 415 Martensitic Stainless Steel

Selon l'approche de tolérance aux dommages, le taux de croissance des fissures de fatigue et le mode de rupture doivent être connus à des fins de conception et de maintenance. Le comportement de croissance des fissures de fatigue de l'alliage AISI 415 est bien établi dans la littérature en raison de sa large utilisation industrielle, en particulier dans la fabrication des hydro-turbines. Cependant, l'effet des paramètres environnementaux sur le comportement de croissance des fissures de fatigue de ce matériau est toujours un domaine d'intérêt ouvert. Dans ce projet, l'effet de l'hydrogène interne (H) sur le taux de croissance des fissures de fatigue et le mode de rupture est étudié pour un acier inoxydable martensitique 415 trempé et revenu avec une résistance ultime (σu) d'environ 850 MPa et une teneur en austénite réformée de 20 %. Les propriétés mécaniques d'échantillons enrichis en hydrogène sont comparées à des échantillons bruts à l'aide d'essais de croissance de fissures de traction et de fatigue. Pour enrichir les échantillons en hydrogène, les échantillons sont chargés électrochimiquement en utilisant la méthode du courant constant. Les tests de croissance des fissures de fatigue sont effectués selon la procédure ASTM E647 à deux plages d'intensité de contrainte constante (ΔK = 8MPa.m0.5 et 15 MPa.m0.5) à trois fréquences de chargement cycliques (f = 35 Hz, 3.5 Hz et 0.35 Hz). Les résultats des tests monotones révèlent qu'une teneur en H interne d'environ 11 mg/kg en poids entraîne une diminution de la ductilité en traction du matériau à deux tiers. Le test de croissance des fissures de fatigue révèle que l'hydrogène interne à une concentration aussi faible que 4 mg/kg en poids augmente le taux de croissance des fissures de fatigue de 2 fois à ΔK =15 MPa.m0.5 et f = 0.35 Hz. Les résultats indiquent également que, en plus de la concentration en hydrogène, trois paramètres de la fréquence de charge, le niveau de ΔK et la fermeture des fissures affectent également la sensibilité du le taux de croissance des fissures de fatigue à la fragilisation par l'hydrogène. Un modèle est proposé basé sur les théories de la décohésion assistée par l'hydrogène (HEDE) et de la diffusion induite par les contraintes (SID) pour expliquer l'effet des variables étudiées. Ce modèle original est capable d'expliquer la sensibilité plus élevée du la croissance des fissures de fatigue à la fragilisation interne par l'hydrogène à ΔK=15 MPa.m0.5 (par rapport aux résultats obtenus à ΔK=8 MPa.m0.5) et à la fréquence de chargement la plus basse testée (0.35 Hz). Le modèle explique la proportion la plus élevée de rupture intergranulaire observée à ΔK=15 MPa.m0.5 et f=3.5 Hz.