Développement de nouvelles méthodes de mesure du seuil de fragilisation par hydrogène sur l'AISI 4340 électroplaqué

La fragilisation par l'hydrogène est un phénomène multifactoriel qui a des conséquences néfastes dans de nombreuses industries, et sa prévention peut se révéler coûteuse. Ce phénomène affecte notamment les pièces en acier à haute résistance utilisées dans le milieu aéronautique, lorsque celles-ci sont électroplaquées. Lors de ce procédé, l'hydrogène est codéposé à la surface de la pièce et est absorbé par celle-ci. Il peut alors se transporter par diffusion, être piégé dans la microstructure et éventuellement causer la fragilisation par l'hydrogène. La présente thèse s'intéresse à la fragilisation par l'hydrogène causée par les placages de cadmium et de chrome sur l'acier de type AISI 4340. La stratégie de contrôle de la fragilisation actuellement utilisée dans l'industrie repose sur des essais mécaniques réalisés sur des pièces témoins qui sont périodiquement plaquées dans les conditions de production. Cette approche est assez sensible pour détecter la fragilisation par l'hydrogène, mais est potentiellement trop conservatrice, non quantitative et surtout très coûteuse en temps. Les recherches décrites dans cette thèse s'inscrivent dans un projet CRIAQ de collaboration entre l'industrie et le milieu académique. Ce projet vise à développer de nouvelles méthodes non destructives pour détecter l'hydrogène, ce qui permettrait de développer de nouvelles stratégies de contrôle de la fragilisation. À l'intérieur du projet CRIAQ, les livrables industriels de la présente thèse sont de fournir aux partenaires académiques des échantillons fragilisés à différents degrés. Pour que les méthodes non destructives soient calibrées adéquatement, le niveau de fragilisation doit être quantifié le plus précisément possible. Ainsi, l'objectif académique du projet est de développer de nouvelles stratégies pour quantifier les effets mécaniques de la fragilisation par l'hydrogène d'aciers à haute résistance plaqués dans des conditions industrielles. La revue de littérature a permis de montrer que peu d'études traitent de la répartition de l'hydrogène entre le placage et le substrat d'acier. De plus, les données sur la diffusion, le piégeage et la solubilité de l'hydrogène dans les métaux plaqués sont rares ou inexistantes, ce qui rend difficile la simulation numérique de la désorption de l'hydrogène après le placage. Ainsi, les profils de concentration d'hydrogène à la suite de conditions de placage industrielles sont mal connus. Il en découle que les normes industrielles sont basées sur de l'information incomplète. Par exemple, la même durée de recuit est spécifiée pour tous les types d'aciers à haute résistance. Il a toutefois été démontré dans la littérature que certains aciers nécessitaient des périodes de dégazage plus longues à cause des pièges d'hydrogène présents dans sa microstructure. De plus, les normes industrielles spécifient un délai maximal de 4 h entre le placage et le recuit, alors que peu de justifications existent pour une telle exigence. Enfin, les méthodes actuelles pour mesurer quantitativement le degré de fragilisation reposent principalement sur la mesure du seuil d'intensité de contraintes pour la propagation des fissures sous-critiques, ou seuil de fragilisation. La validité de ces méthodes dépend d'un profil de concentration constant, ce qui n'est pas le cas pour des conditions industrielles. Le premier objectif spécifique du projet était de développer des méthodes robustes et versatiles pour quantifier la fragilisation par l'hydrogène dans des conditions industrielles. Pour atteindre cet objectif, deux méthodes différentes ont été développées pour mesurer le seuil de fragilisation. La première consiste à appliquer sur des éprouvettes C(T) plaquées et préfissurées un plan de chargement incrémental par paliers. Avec la seconde méthode, le seuil est estimé à partir des facteurs d'intensité de contraintes associés à chacune des zones intergranulaires, calculés à la suite de mesure par fractographie. Les deux méthodes ont permis de mesurer des seuils réalistes en fonction des conditions de placage. Les deux méthodes ont chacune leurs avantages. La première est plus robuste, puisque son calcul est affecté de moins de sources d'erreur ; la seconde est plus versatile, puisqu'elle peut être appliquée à n'importe quelle géométrie et qu'elle permet d'estimer le seuil à partir de faciès de rupture déjà existants. Le second objectif spécifique consistait à étudier l'effet du délai entre le placage et le recuit. Avec la méthode de chargement par paliers, un seuil de fragilisation de 60,3MPam0,5 a été mesuré sur des éprouvettes recuites après un délai de 100 h, alors que celles recuites immédiatement avaient un seuil de 62,5MPam0,5. Le seuil mesuré sur des éprouvettes recuites après 100 h est significativement inférieur à la ténacité du matériau (63,8MPam0,5). Par contre, l'absence d'autres indices de fragilisation et la présence d'un biais dans la comparaison des valeurs de seuils et de ténacité rendent non concluante cette différence. Ainsi, il n'a pas été démontré que le délai entre le placage et le recuit avait un impact sur la fragilisation. Finalement, le troisième objectif visait à explorer l'usage de mesures de désorption thermique et d'outils de simulation numérique pour caractériser l'état et la distribution de l'hydrogène en fonction de la géométrie et des paramètres de placage et de recuit. La simulation numérique, avec comme intrants les résultats de l'analyse de désorption thermique, a permis de quantifier l'impact de la distance de diffusion sur la fragilisation par l'hydrogène. Elle a aussi permis d'illustrer qualitativement les effets de barrière de diffusion et de source d'hydrogène du placage de chrome. L'utilisation du modèle numérique a permis de mieux comprendre les phénomènes de répartition et de désorption de l'hydrogène dans des pièces plaquées. L'extrapolation des résultats obtenus dans la présente thèse à des pièces réelles est limitée par (i) la différence de longueur de diffusion entre la source d'hydrogène, en l'occurrence le placage, et la zone d'amorce des fissures ; (ii) un effet d'échelle causé par l'influence de la taille de la pièce sur le ratio surface/volume, qui fait diminuer la concentration moyenne dans une pièce en fonction du volume ; et (iii) l'état des contraintes, qui diffère entre une pièce entaillée, une pièce fissurée et une pièce réelle. La poursuite de nouveaux plans expérimentaux utilisant les deux méthodes développées pour calculer le seuil de fragilisation, avec l'apport de la simulation numérique, pourra contribuer à augmenter la compréhension des phénomènes de fragilisation par l'hydrogène et à réduire leur prévalence dans l'industrie. De tels efforts seraient encore plus profitables avec l'apport de méthodes non destructives de localisation de l'hydrogène et des essais sur des géométries se rapprochant davantage des pièces réelles.