Relation entre interactions hydrogène-microstructure et susceptibilité à la fragilisation par l’hydrogène d’aciers inoxydables martensitiques à durcissement par précipitation
Pierre Schutz1,2, Jamila Adem1, Frantz Martin3, Quentin Auzoux3, Yves Wouters2, Laurence Latu-Romain1,2
1Centre de Recherches d’Ugitech, Ugine, France
2Université Grenoble Alpes, SIMaP, 38402, Saint-Martin-d'Hères, France
3Université Paris-Saclay, CEA, SCCME, 91191, Gif-sur-Yvette, France
Résumé : Aujourd’hui, les pièces de structure destinées à produire, stocker, ou transporter le dihydrogène gazeux sont produites à partir d’aciers inoxydables austénitiques type 316/316L, rares nuances connues comme peu susceptibles à la FPH. Toutefois, en raison de leurs faibles propriétés mécaniques (Rm < 600 MPa), leur emploi nécessite d’augmenter l’épaisseur des pièces, par exemple pour assurer une bonne tenue sous très hautes pressions d’H2 (~ 350 à 700 bars d’H2 dans les réservoirs des véhicules), ce qui engendre un surcoût non négligeable. A cela vient s’ajouter l’inconvénient de leur caractère amagnétique (problématique rencontrée notamment pour les injecteurs électromagnétiques). Les aciers inoxydables martensitiques à durcissement par précipitation (nommées PH pour Precipitation Hardening) sont en revanche des nuances magnétiques possédant de hautes caractéristiques mécaniques. Ces dernières sont ajustables par traitements thermiques, en jouant notamment sur la taille des précipités durcissant ainsi que sur la fraction d’austénite de réversion. Néanmoins, bien que les mécanismes associés ne soient pas encore bien établis, ces aciers sont connus pour être très susceptibles vis-à-vis de la FPH, ce qui limite leur utilisation pour se substituer aux traditionnels 316/316L. Dans ce contexte, la compréhension de ces mécanismes affectant particulièrement ces aciers est essentielle pour être en mesure de développer de nouvelles nuances PH présentant une résistance à la FPH améliorée. A cette fin, trois nuances PH sont choisies : 17-4 PH, Custom 455, Custom 465, contenant chacun des nano-précipités de nature chimique différente. Une attention toute particulière est accordée aux interactions H-microstructure et à la susceptibilité à la FPH qui en résulte. Une caractérisation structurale fine a été réalisée en se focalisant sur : la densité de dislocations (estimée par DRX-Synchrotron), la fraction d’austénite résiduelle et/ou de réversion (EBSD/DRX) ainsi que les précipités durcissant nanométriques (TEM/ACOM). L’influence des différents éléments microstructuraux sur le piégeage de l’hydrogène a été appréciée en couplant perméation électrochimique et spectrométrie de thermodésorption (TDS) en comparant les différents états microstructuraux selon les traitements thermiques. Enfin la susceptibilité à la FPH a été mesurée grâce à des essais de traction lente avec chargement cathodique in-situ. Les résultats montrent un piégeage important ayant lieu aux interfaces précipité/matrice lorsque les précipités sont fins (< 10 nm). Dans le cas des précipités de Cu (présent dans l’alliage 17-4 PH), ce piégeage est plus ou moins délétère vis-à-vis de la résistance à la FPH selon la nature de ces interfaces. En effet, lorsque les interfaces sont plutôt cohérentes, l’énergie de piégeage et la résistance à la FPH sont relativement faibles. A l’inverse, les interfaces incohérentes piègent plus fortement l’hydrogène, endiguant plus efficacement sa diffusion. Par ailleurs, il semblerait que l’austénite de réversion finement dispersée entre les lattes de martensite soit bénéfique pour la résistance à la FPH tandis que l’austénite résiduelle plus grossière et répartie de manière moins homogène ne contribue pas ou peu à l’amélioration de la tenue mécanique en présence d’hydrogène. Des mécanismes de FPH de ces nuances PH seront finalement proposés.
Fragilisation par l'hydrogène, aciers inoxydables martensitique à durcissement par précipitation, TDS, ACOM/TEM, interactions hydrogène-microstructure