Fragilisation par hydrogène d’aciers inoxydables maraging à très haute résistance. Rôle des éléments de microstructure

E. Pejoine,^1,2 S. Kalacska,¹ L.H. Brassart,² M. Salvy³ et F. Christien¹

¹ Mines Saint-Etienne, Univ Lyon, CNRS, UMR 5307 LGF, Centre SMS, 158 cours Fauriel 42023 Saint-Étienne, France

² Aubert & Duval, Rue des Villas, 63770 Les Ancizes, France

³ Airbus Commercial Aircraft, 316 Route de Bayonne, Toulouse, France

En aéronautique, les aciers inoxydables maraging réputés pour leur haute résistance mécanique, peuvent, sous certaines conditions atmosphériques et de chargement, être susceptibles de se dégrader en service sous l’effet de la fragilisation par hydrogène (FpH). Ces aciers martensitiques sont renforcés par un traitement thermique de vieillissement et possèdent une microstructure complexe. L’objectif de cette thèse est d’étudier l’influence des éléments de la microstructure de ces aciers sur la sensibilité à la FpH, et en particulier sur le chemin de fissuration. Deux aciers maraging de dernière génération, le PH1750 et le PH1740, ayant des caractéristiques mécaniques comparables, sont étudiés. Leurs microstructures sont modifiées par des variations de la température de vieillissement nominale.

Les essais de propagation de fissures visant à évaluer la sensibilité à la FpH sont effectués à l’aide de la méthode RSL (Rising Step Load) en milieu NaCl à différents potentiels cathodiques. Cette méthode constitue une alternative aux essais traditionnels de traction à vitesse de déformation lente et permet d’obtenir le facteur d’intensité des contraintes sous hydrogène (K_1FpH) ainsi que la vitesse de propagation de la fissure assistée par hydrogène du matériau. Les résultats mettent en évidence une diminution de la ténacité initiale du matériau sous l’effet de la FpH, diminution d’autant plus marquée que le niveau de chargement en hydrogène est élevé. Ce chargement élevé en hydrogène conduit également à une accélération de la vitesse de propagation de la fissure. De plus, les résultats montrent que la modification de la microstructure induite par les variations de la température de vieillissement, influe sur la sensibilité à la FpH du matériau.

Les analyses sur des coupes de fissures assistées par hydrogène obtenues par FpH, révèlent que le mode de propagation lent assisté par hydrogène est différent pour les deux nuances, alors que la ténacité sous hydrogène est quasi identique. Le chemin de fissuration est intergranulaire pour le PH1750, et mixte, c’est-à-dire présentant des zones intergranulaires et des zones de quasi-clivage pour le PH1740. Le terme « intergranulaire » renvoie ici aux anciens joints de grains austénitiques.

Afin de comprendre le chemin de fissuration de ces matériaux sous hydrogène, des analyses par spectroscopie Auger sur des faciès de rupture ont été réalisées. Celles-ci ont mis en évidence des différences de composition chimique entre les zones intergranulaires et transgranulaires. Les éléments Mo, Ni, Ti et P sont présents en plus grande proportion dans les zones intergranulaires. Des analyses complémentaires ont été réalisés par MET (Microscopie Électronique en Transmission) et par TKD (Transmission Kukuchi Diffraction). Les résultats confirment une hétérogénéité entre les joints et la matrice. On observe que l’austénite est majoritairement localisée au niveau des joints de la matrice, et que le molybdène y est également ségrégé.

En parallèle, des analyses DRX sur des éprouvettes de traction révèlent un effet TRIP (Transformation-Induced Plasticity) de l’austénite. L’austénite, agissant comme un réservoir à hydrogène, se transforme en martensite sous l’effet de la contrainte et entraine la libération de l’hydrogène, pouvant accroitre la FpH du matériau.