Influence du dégazage sur la sensibilité des aciers … Oudriss.pdf · ... CETIM Institut Carnot,...

Groupe de travail « Fragilisation Par l’Hydrogène »

Influence du dégazage sur la sensibilité des aciers martensitiques à la fragilisation par hydrogène

A. Oudriss(a)*, C. Berziou(a), C. Rébéré(a), S. Cohendoz(a), E. Conforto(a), R. Milet(a) ,

H. Morillot(c), J-M. Sobrino(b), J. Creus(a), X. Feaugas(a)

Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement, UMR-CNRS 7356, La Rochelle. Axe B1 – Opération DMRS : Durabilité Métallurgie et Réactivité des Surfaces

(a) LaSIE, UMR 7356 CNRS, Université de la Rochelle, Av. Michel Crépeau, F-17042 La Rochelle Cedex 01, France.

(b) CETIM Institut Carnot, Pôle Matériaux Métalliques et Surfaces, 52 avenue Félix Louat, CS 80067, 60304 Senlis, France.

(c) CETIM Institut Carnot, Pôle Matériaux Métalliques et Surfaces, 74 route de la Jonelière, CS 50814, 44308 Nantes, France.

(*) [email protected]

Contexte et historique

- 2 -

Cd électrodéposé

Hou

r of b

akin

g at

205

°C

(ASTM B 850-94) (ISO 9588-99)

HRC >49 : le temps de dégazage de 24h, peu efficace sur certains aciers ! Risque de fragilisaAon par l’hydrogène

Acier martensitique Éprouvette entaillée Kt=3.9

Oudriss et al. 2013

2 ppm wt

Les procédés de traitements de surface et d'électrodéposition sont généralement suivis d’une étape de dégazage de l’hydrogène

§  RelaAon entre le couple temps/température de dégazage et la sensibilité à la FPH.

§  EvoluAon des états de l’hydrogène (diffusible et piégé) en foncAon du temps et de la température de dégazage

§  Influence de la nature de l’hydrogène pour un couple (temps, température) sur les propriétés mécaniques

§  InteracAon d’une microstructure complexe sur les mécanismes de fragilisaAon par l’hydrogène.

Contexte et objecAfs

- 3 -

Objectif : comprendre l’évolution au cours du temps de la distribution de l’hydrogène dans les matériaux afin de mesurer sa conséquence sur la résistance à la FPH

Groupe de travail « FragilisaAon Par l’Hydrogène »

Pilote : CETIM Partenaires industriels : LISI Automotive, LISI Aerospace, ArcelorMittal, Coventya, Agrati Partenaires académiques : LaSIE, UTC, McGill

Plan de la présentaAon

1-‐ Matériau et analyses microstructurales (AISI 5135 martensiAque)

2-‐ CondiAons expérimentales de chargement de l’hydrogène 3-‐ Influence du dégazage à 20° sur la distribuAon de l’hydrogène 4-‐ Impact de la distribuAon de l’hydrogène sur les propriétés mécaniques

5-‐ Conclusions et perspecAves

5 microstructures : Structures métallurgiques Propriétés mécaniques Chimie, Précipités, inclusions ….

- 4 -

Matériau et CaractérisaAons microstructurales

Paquet

Joint d�un paquet

Latte de martensite

Bloc

Joint d�un bloc

Ancien jdg austénitique

Inclusions

Dislocations inter-lattes

GND

Précipités

Dislocations intra-lattes IDB Joint d�un bloc

≈ 10 µm

≈ 1-10 nm

≈ 100 nm

Austénite résiduelle

Ex-‐grains γ

Paquet Joint d�un paquet

Latte de martensite Bloc

Joint d�un bloc


Inclusions

Dislocations inter-lattes GND

Précipités

Dislocations intra-lattes IDB

Joint d�un bloc

≈ 10 µm

≈ 1-10 nm

≈ 100 nm




Joint d�un bloc


Inclusions


Précipités


Joint d�un bloc

≈ 10 µm

≈ 1-10 nm

≈ 100 nm




Joint d�un bloc


Inclusions


Précipités


Joint d�un bloc

≈ 10 µm

≈ 1-10 nm

≈ 100 nm


GND

SSD

Disloca/ons

Austénite Résiduelle Le long des lattes de martensite

< 0.1 % (Analyses DRX)

-‐  Par9cules sphériques Al2O3 -‐  Par9cules allongées en Oxyde de magnésium MgO et sulfure de manganèse MnS

Précipités équiaxes (Cr3C2 et Cr7C3 avec un rayon de 5,16 nm, ou des précipités batonnets (M23C6 avec un rayon de 11 nm)

Matériau étudié : 37Cr4 (AISI 5135 ) martensiAque

Influence du dégazage de l’hydrogène sur les états de H au sein de cette microstructure

Analyses microstructurales : MO, MEB, EBSD MET, DRX, EDX, µFluoX…

Inclusions

Précipités

A. Oudriss et al., Materials Science and Engineering A, 598 (2014), 420

- 5 -

HORIBAHydrogenAnalyser EMGA-621W

Analyseur

Four

La Spectroscopie de Désorption Thermique (TDS)

CinéAque de désorpAon : Analyse d’hydrogène

200 400 600 800 1000 12000,0

5,0x10-6

1,0x10-5

1,5x10-5

2,0x10-5

2,5x10-5

Flux

de

déso

rptio

n (%

mas

siqu

e.s-1

)

T (°C)

Chargement cathodique

0 10 20 30 40 50 60 70 800

2

4

6

8

10 37Cr4 [Frappart11]

CH (p

pm m

assi

que)

t (h)

Aciers martensitiques

Solution : H2SO4 1M jc = -100 mA/cm² Temps : 4h à 72h

230K/min

Spectre TDS pour un temps de dégazage à 20°C

q  Chargement de l’hydrogène

q  Dégazage/DésorpAon à 20°C q  Différents temps de dégazage

q  Analyse des états de l’hydrogène : Rampe de température

H intersCCel CL

H réversible CTr

H irréversible CTir

Mesure de CH, CL, CTr et CTir

Procédure


100 1000 10000 100000 1000000 1E70.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Hyd

roge

n co

ncen

tratio

n C

H (p

pm w

t)

Baking time (s)

EvoluAon de la concentraAon totale de l’hydrogène CH

Ø  Désorption de l’hydrogène interstitiel et piégé réversiblement (diffusible)

Ø  L’essentiel de l’hydrogène diffusible est supprimé après trois jours de dégazage

Ø  Redistribution d’une partie de H diffusible

-6 -

1 heure

3 jours

7 heures

2 mois

1 jour

CinéAque de désorpAon : 37Cr4 nuance martensiAque à 20°C

CL

CTr

CTir

100 1000 10000 100000 1000000 1E70.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Hyd

roge

n co

ncen

tratio

n (p

pm w

t)Baking time (s)

EvoluAon des différentes concentraAons CL, CTr et CTir.


Les vitesses de désorption sont maximales pour un temps compris entre 16 et 24 heures

EvoluCon de la valeur absolue des dérivées des concentraCons diffusibles dCL/dln(t) et dCTr/dln(t) è CinéCque de désorpCon de H diffusible

-7 -

CinéAque de désorpAon : 37Cr4 nuance martensiAque à 20°C

CL

CTr

CTir

100 1000 10000 100000 1000000 1E70.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Hyd

roge

n co

ncen

tratio

n (p

pm w

t)

Baking time (s)

dCL/dLn(t)

dCTr/dLn(t)

100 1000 10000 100000 10000000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

dCi/d

Ln(t)

(ppm

wt/s

)Baking time (s)

24 heures

Influence sur les propriétés mécaniques

CinéAque de désorpAon de H diffusible


0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.100

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Stre

ss (M

Pa)

Strain

Increase of ductility

24 h

72 h

40 days

Without H

Loss of ductility

24 h8 h

3 h

Without H

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.100

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Stre

ss (M

Pa)

Strain

Courbes de tracAon réalisées suite à différents temps de désorpAon à 20°C

- 8 -

Domaine (1)

Domaine (2)

Impact sur la tenue mécanique (Eprouvehes de tracAon lisses) : 37Cr4-‐M

0h (Sans H) à 24h (ductilité↓ avec tD)

24h et 6jours (ductilité↑ avec tD)

10-5 s-1

Identification de deux domaines en fonction du

temps de dégazage :

§ Domaine 1 : Une perte de ductilité

§ Domaine 2 : Regain de ductilité

dCL/dLn(t)

dCTr/dLn(t)

100 1000 10000 100000 10000000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

dCi/d

Ln(t)

(ppm

wt/s

)

Baking time (s)

24 heures

CinéAque de désorpAon de H diffusible


1000 10000 100000 1000000 1E70

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

10-5 s-1

Stra

in fr

actu

re A

(%)

Baking time (s)

without H

24h

QTM Etat initial QTM H-3 h QTM H-8 h QTM H-16 h QTM H-24 h QTM H-48 h QTM H-72 h!

QTM H-6 h QTM H-15 h QTM H-24 h QTM H-72 h!

(a)

(b)

Evolution (a) de l’allongement relatif à la rupture (A%) et (b) de la déformation plastique à rupture localisée dans la zone de striction en fonction du temps de désorption pour deux vitesses de déformation. (c) cinétique de désorption de H diffusible

- 9 -

- La fragilisation est maximale entre 16 et 24 heures

- Nous retrouvons la ductilité initiale (sans H) au bout de 3 jours

Allongement relatif à la rupture Déformation à la striction

Impact sur la tenue mécanique (Eprouvehes de tracAon lisses) : 37Cr4-‐M

1000 10000 100000 1000000 1E70.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

10-5 s-1

Stra

in b

efor

e ne

ckin

g ε n

Baking time (s)

without H

24h

dCL/dLn(t)

dCTr/dLn(t)

100 1000 10000 100000 10000000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

dCi/d

Ln(t)

(ppm

wt/s

)

Baking time (s)

24 heures

La stricAon

Perte Regain

Cinétique de désorption de H diffusible (a) (b) (c)


Etat de contrainte dans la zone de stricAon (Bridgman): approche locale de la rupture

- 10 -

Impact sur la tenue mécanique : Approche locale

1000 10000 100000 1000000 1E70.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

10-5 s-1

Loca

l pla

stic

stra

in b

efor

e fr

actu

re

Baking time (s)

without H

24h

1000 10000 100000 1000000 1E7200

250

300

350

400

450

500

10-5 s-1

Hyd

rost

atic

stre

ss σ

m (M

Pa)

Baking time (s)

without H

24h

Pression hydrostatique σm

Déformation plastique équivalente locale

Domaine de perte de ductilité :

§ augmentation de la pression hydrostatique et diminution de la déformation

plastique équivalente nécessaire à la rupture : un critère ?

§ ce domaine correspond au maximum de vitesse de désorption !

dCL/dLn(t)

dCTr/dLn(t)

100 1000 10000 100000 10000000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

dCi/d

Ln(t)

(ppm

wt/s

)

Baking time (s)

24 heures

Cinétique de désorption de H diffusible


0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5200

250

300

350

400

450

500

Hyd

rost

atic

stre

ss σ

m (M

Pa)

Equivalent plastic strain εpeq

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

dCD /dLn(t) (ppm

wt/s)

Domain I

Domain II

Conditions locales de rupture ne semblent pas être fonctions de la concentration en hydrogène

Deux mécanismes de rupture ?

Des observations des facies de rupture …

- 11 -

Rupture ductile

Rupture « fragile »

Impact sur la tenue mécanique : Approche locale


Rupture intergranulaire ductile (a,b,c sans H) et fragile (d,e,f avec H).

Endommagements ducti le par germination/croissance sur les inc lusions sphér iques (a) vue générale après 15 heures de désorption, (b) illustration de la croissance de cavités après 6 heures de désorption, (c) formation de cavités sur des inclusions intragranulaires et (d) formation de cavités sur une inclusion intergranulaires.

Les différents modes d’endommagement observés

Deux exemples de rupture fragile intra-granulaire (a,b) et (c,d). Dans chacun des cas les grandissements les plus importants (b et d) illustre une rupture de quasi-clivage à l’échelle des lattes de martensite (de l’ordre de 300 nm de large). (désorption de 15 heures)

- 12 -

Impact sur la tenue mécanique : Approche locale et étude fractographique


Le domaine pour lequel le flux d’hydrogène est maximum correspond à une rupture fragile à l’échelle des lattes de martensite

- 13 -

Impact sur la tenue mécanique : Approche locale et étude fractographique

dCL/dLn(t)

dCTr/dLn(t)

100 1000 10000 100000 10000000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

dCi/d

Ln(t)

(ppm

wt/s

)

Baking time (s)

24 heures

Cinétique de désorption de H diffusible

Déformation à la striction

1000 10000 100000 1000000 1E70.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

10-5 s-1

Stra

in b

efor

e ne

ckin

g ε n

Baking time (s)

without H

24h


Pour aller plus loin …

q  Durant un dégazage à 20°C, une diminution de l’hydrogène diffusible (CL+CTr) est observée, suivi d’une augmentation

de l’hydrogène piégé CTir è redistribution de H

q  A 20°C, la désorption pour l’hydrogène diffusible est maximale entre 16 et 24 heures

q  En fonction du temps de dégazage, une évolution des propriétés mécanique (traction simple) est observée :

-  Diminution de la ductilité, et un maximum de perte est constaté entre 16 et 24 heures

q  Donc, la cinétique de désorption de H diffusible semble être déterminante dans la fragilisation de l’acier

martensitique.

q  L’hydrogène piégé irréversiblement semble ne pas affecter les propriétés mécaniques.

- 14 -

q  Étude paramétrique des effets de la microstructure (NT, précipitation, γ résiduelle …)

q  Modélisation des cinétiques de désorption de H

q  Impact de la microstructure et de la concentration en H sur ces cinétiques (Etude d’autres microstructures)

q  Identification des mécanismes d’endommagement en fonction de l’état de contrainte (différentes microstructures et Kt)

q  …

Conclusions

Conclusions & PerspecAves


Influence du dégazage sur la sensibilité des aciers … Oudriss.pdf · ... CETIM Institut Carnot,...

Documents

Transcript of Influence du dégazage sur la sensibilité des aciers … Oudriss.pdf · ... CETIM Institut Carnot,...