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

Transcription

1 Laboratoire des Sciences de l Ingénieur pour l Environnement, UMR-CNRS 7356, La Rochelle. Axe B1 Opération DMRS : Durabilité Métallurgie et Réactivité des Surfaces 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) (a) LaSIE, UMR 7356 CNRS, Université de la Rochelle, Av. Michel Crépeau, F La Rochelle Cedex 01, France. (b) CETIM Institut Carnot, Pôle Matériaux Métalliques et Surfaces, 52 avenue Félix Louat, CS 80067, Senlis, France. (c) CETIM Institut Carnot, Pôle Matériaux Métalliques et Surfaces, 74 route de la Jonelière, CS 50814, Nantes, France. Groupe de travail «Fragilisation Par l Hydrogène» (*) abdelali.oudriss@univ-lr.fr

2 Contexte et historique Les procédés de traitements de surface et d'électrodéposition sont généralement suivis d une étape de dégazage de l hydrogène Cd électrodéposé (ASTM B ) (ISO ) Hour of baking at 205 C 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 2 ppm wt Oudriss et al 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

3 Contexte et objecafs Groupe de travail «FragilisaAon Par l Hydrogène» 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 Pilote : CETIM Partenaires industriels : LISI Automotive, LISI Aerospace, ArcelorMittal, Coventya, Agrati Partenaires académiques : LaSIE, UTC, McGill 5 microstructures : Structures métallurgiques Propriétés mécaniques Chimie, Précipités, inclusions. 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 - 3 -

4 m Paqu et Joint d un paquet Matériau et CaractérisaAons microstructurales sions Joint d un bloc site marten de Latte Bloc A. Oudriss et al., Materials 1 Science and Engineering A, 598 (2014), 420 Matériau étudié : 37Cr4 (AISI 5135 ) martensiaque 00 n m Analyses microstructurales : MO, MEB, EBSD MET, DRX, EDX, 10 µm µfluox Ex- grains γ Ancien jdg austénitique Inclusions Paquet et 10 paqu n u 10 µm 0 nm Joint d Joint d un bloc te1de-martensite oc 0 Lat Bl1 nm Join tdi d Anci en jd g Inclusions 100 n Al2O3 - Par9cules sphériques m austé n itiqu e Paqu Disloca/ons et Disloca Inns Joint d un paquet tio clusiinter GND GNDons Joint d un bloc Latte de martensite Bloc tions uslo n blca oc Inclu Austénite résidu interlatités SSD tes Précip GND intra-lattes IDB - Par9cules allongées en Oxyde de Dislocations magnésium MgO et sulfure de Au 1-10 e résiduellreésiduelle ttesnitausténite asté n MnS nter-l m i Joint 100 nmmanganèse s n o d un cati Dislo des martensite calattes tions de bloc Dislo internd itésle long lattes GPrécip < 0.1 % (Analyses GND DRX) Précipités Précipités équiaxes (Cr3C2 et Cr7C3 lle e résidu avec un rayon de 5,16 nm, o u d e es t i n é t IDB intra-lattes Dislocations Aus avec précipités b atonnets ( M23C6 1tés Austénite résiduelle 10de un rayon n 11 nm) Précipi 1-10 nm m Joint d un bloc Joint d un bloc DB ttes I Précipités a l a r t ns in catio o l s i D Dislocations intra-lattes IDB Influence du dégazage de l hydrogène sur les états de H au sein de cette microstructure - 4 -

5 CinéAque de désorpaon : Analyse d hydrogène C H (ppm massique) 10 37Cr4 [Frappart11] Chargement cathodique Aciers martensitiques Solution : H2SO4 1M jc = -100 ma/cm² Temps : 4h à 72h La Spectroscopie de Désorption Thermique (TDS) HORIBA HydrogenAnalyser EMGA-621W Analyseur Spectre TDS pour un temps de dégazage à 20 C Four t (h) Procédure q Chargement de l hydrogène q Dégazage/DésorpAon à 20 C q Différents temps de dégazage Flux de désorption (% massique.s -1 ) 2,5x10-5 2,0x10-5 1,5x10-5 1,0x10-5 5,0x10-6 H intersccel C L H réversible C Tr 230K/min H irréversible C Tir q Analyse des états de l hydrogène : Rampe de température 0, T ( C) Mesure de C H, C L, C Tr et C Tir - 5 -

6 CinéAque de désorpaon : 37Cr4 nuance martensiaque à 20 C Hydrogen concentration C H (ppm wt) EvoluAon de la concentraaon totale de l hydrogène C H 1 heure E7 7 heures 3 jours 1 jour 2 mois Hydrogen concentration (ppm wt) EvoluAon des différentes concentraaons C L, C Tr et C Tir. C L C Tr C Tir E7 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 -

7 CinéAque de désorpaon : 37Cr4 nuance martensiaque à 20 C EvoluCon de la valeur absolue des dérivées des concentracons diffusibles dc L /dln(t) et dc Tr / dln(t) è CinéCque de désorpcon de H diffusible CinéAque de désorpaon de H diffusible Hydrogen concentration (ppm wt) C L C Tr C Tir dci/dln(t) (ppm wt/s) heures dc L /dln(t) dc Tr /dln(t) E Les vitesses de désorption sont maximales pour un temps compris entre 16 et 24 heures Influence sur les propriétés mécaniques -7 -

8 Impact sur la tenue mécanique (Eprouvehes de tracaon lisses) : 37Cr4- M Courbes de tracaon réalisées suite à différents temps de désorpaon à 20 C Domaine (1) 10-5 s Without H CinéAque de désorpaon de H diffusible heures 0.5 dc L /dln(t) Stress (MPa) h 8 h Loss of ductility 3 h dci/dln(t) (ppm wt/s) Identification de deux domaines en fonction du temps de dégazage : Domaine 1 : Une perte de ductilité Domaine 2 : Regain de ductilité dc Tr /dln(t) Stress (MPa) h (Sans H) à 24h (ductilité avec t D ) 24 h Strain Increase of ductility Strain 72 h Domaine (2) 40 days Without H 24h et 6jours (ductilité avec t D ) - 8 -

9 Impact sur la tenue mécanique (Eprouvehes de tracaon lisses) : 37Cr4- M 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 Strain fracture A(%) Allongement relatif à la rupture without H 24h 10-5 s E7 Strain before necking ε n without H Déformation à la striction 24h E s -1 dci/dln(t) (ppm wt/s) Cinétique de désorption de H diffusible (a) (b) (c) 24 heures dc L /dln(t) dc Tr /dln(t) Perte Regain La stricaon 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! - La fragilisation est maximale entre 16 et 24 heures - Nous retrouvons la ductilité initiale (sans H) au bout de 3 jours - 9 -

10 Impact sur la tenue mécanique : Approche locale Etat de contrainte dans la zone de stricaon (Bridgman): approche locale de la rupture 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! dci/dln(t) (ppm wt/s) Cinétique de désorption de H diffusible heures dc L/dLn(t) dc Tr/dLn(t) Hydrostatic stress σ m (MPa) Local plastic strain before fracture without H 10-5 s -1 24h E Déformation plastique équivalente locale without H Pression hydrostatique σ m 10-5 s E7 24h

11 Impact sur la tenue mécanique : Approche locale Conditions locales de rupture ne semblent pas être fonctions de la concentration en hydrogène Domain I Rupture ductile 1.6 Hydrostatic stress σ m (MPa) Rupture «fragile» Domain II dc D /dln(t) (ppm wt/s) Equivalent plastic strain ε peq Deux mécanismes de rupture? Des observations des facies de rupture

12 Impact sur la tenue mécanique : Approche locale et étude fractographique Les différents modes d endommagement observés Rupture intergranulaire ductile (a,b,c sans H) et fragile (d,e,f avec H). Endommagements ductile par germination/croissance sur les inclusions sphériques (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. 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)

13 Impact sur la tenue mécanique : Approche locale et étude fractographique Cinétique de désorption de H diffusible 24 heures dc L /dln(t) dci/dln(t) (ppm wt/s) dc Tr /dln(t) without H Déformation à la striction Strain before necking ε n h 10-5 s E7 Le domaine pour lequel le flux d hydrogène est maximum correspond à une rupture fragile à l échelle des lattes de martensite

14 Conclusions & PerspecAves Conclusions q Durant un dégazage à 20 C, une diminution de l hydrogène diffusible (C L +C Tr ) est observée, suivi d une augmentation de l hydrogène piégé C Tir 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. Pour aller plus loin q Étude paramétrique des effets de la microstructure (N T, 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 K t ) q