Fragilisation par hydrogène de l'acier 4340 électroplaqué: tests non destructifs électromagnétiques et analyses avancées de mesures de spectroscopie à désorption thermique

Dans la première moitié du 19e siècle, la révolution industrielle fait exploser la demande mondiale en acier. Dès 1850, l'électrodéposition de nickel, laiton, étain et zinc débute pour prévenir les problèmes de corrosion de l'acier. Toutefois, cette solution provoque un autre problème : les pièces d'acier plaquées deviennent plus fragiles. En 1875, Johnson met en évidence l'élément problématique : l'hydrogène diffusant dans l'acier lors de l'électrodéposition [1]. Par ses expériences simples, Johnson établit les bases du phénomène que l'on nomme aujourd'hui Fragilisation Par Hydrogène (FPH), étudié dans plus de 38 000 articles en date de 2016 [2]. D'un point de vue industriel, il existe plusieurs normes pour tester la FPH de l'acier plaqué d'un revêtement métallique. Dans le cadre de ce travail, le test décrit dans les normes ASTM F-519 [3] et AMS-QQ-P-416E [4] est utilisé pour évaluer la FPH de plus de 200 échantillons. Dans ce test, quatre éprouvettes plaquées sont chargées en série à 75 % de leur résistance mécanique maximale (“Notch Fracture Strength (NFS)”) pendant 200 heures. Si deux éprouvettes se rompent avant 200 heures, le revêtement est alors considéré comme fragilisant. Toujours selon les normes ASTM F-519 et AMS-QQ-P-416E, un recuit doit être effectué en moins de 4 heures après le placage, sans quoi les pièces sont aussi considérées comme fragilisées. Lorsqu'une des deux conditions n'est pas remplie, les pièces plaquées sont placées en quarantaine ou envoyées aux rebuts. Cela peut mener à des pertes financières importantes pouvant atteindre 100 000 $ pour une seule pièce. Cette problématique a conduit à la définition de l'objectif principal de cette thèse, soit d'évaluer si une méthode non destructive ÉlectroMagnétique (EM) pourrait permettre de déterminer si une pièce d'acier haute résistance plaquée est fragilisée par hydrogène ou non. L'hypothèse permettant de formuler cet objectif principal est la suivante : la concentration en hydrogène dans un métal affecte ses propriétés électrique et/ou magnétiques. Pour atteindre l'objectif principal, il faut d'abord connaître l'ordre de grandeur de la concentration en hydrogène produisant la FPH, nommé “seuil critique de concentration en hydrogène”. Cette valeur déterminera la sensibilité que l'on recherche pour la méthode non destructive EM. Pour ce faire, le test de traction à charge soutenue de 200 heures (“Sustained-Load Test (SLT)”) et la spectroscopie de désorption thermique (“Thermal Desorption Spectroscopy (TDS)”) sont utilisés pour déterminer le degré de FPH et le contenu en hydrogène d'éprouvettes d'acier 4340 avec entaille plaquées de cadmium ou de chrome. Les concentrations en hydrogène mesurées par TDS se situent entre 1 à 20 ppma (ppm atomique) pour les placages de cadmium, et à 1000 ppma pour les placages de chrome.