vignette|Fissure d'un acier trempé provoquée par de l'hydrogène, observée au microscopie électronique à balayage. La fragilisation par l'hydrogène est un phénomène de réduction de la ductilité de certains métaux par l'absorption d'hydrogène facilitant ainsi la fissuration. Les atomes d'hydrogène étant petits, ils peuvent pénétrer les métaux solides par perméation. Une fois absorbés, cela entraîne un abaissement de la contrainte nécessaire pour initier et propager une fissure, rendant le matériau plus fragile. La fragilisation par l'hydrogène est majoritairement présente dans les aciers, mais aussi dans le fer, le nickel, le titane, le cobalt et leurs alliages. Le cuivre, l'aluminium et les aciers inoxydables sont moins touchés par ce phénomèneNASA (2016). "Hydrogen Embrittlement" (PDF). Retrieved 18 December 2020.Jewett, R. P.; Walter, R. J.; Chandler, W. T.; Frohmberg, R. P. (1973-03-01). "Hydrogen environment embrittlement of metals".Safety Standard for Hydrogen and Hydrogen Systems: Guidelines for Hydrogen System Design, Materials Selection, Operations, Storage, and Transportation (PDF). Vol. NSS 1740.16. Washington, DC: Office of Safety and Mission Assurance, National Aeronautics and Space Administration. 1997-10-29. p. A-93. Retrieved 2022-06-27..
Le rôle de l'hydrogène dissous dans un métal est connu depuis la fin du . Pour les aciers, la fragilisation par l'hydrogène est maximale autour de la température ambiante et la plupart des métaux ne sont pas affectés par cette fragilisation pour des températures dépassant 150 °C."What is hydrogen embrittlement? – Causes, effects and prevention". TWI - The Welding Institute. Retrieved 18 December 2020. La fragilisation par hydrogène peut entraîner la fissuration prématurée du matériau que ce soit au moment de la diffusion de l'hydrogène (à cause de contraintes résiduelles ou en cours d'application) ou plus tard, lors de la mise en œuvre du matériau (à cause de contraintes appliquées)"Hydrogen Embrittlement". Metallurgy for Dummies. Retrieved 18 December 2020.. L'effet de la fragilisation par l'hydrogène augmente lorsque la vitesse de déformation diminue.
Les métaux peuvent être exposés à l'hydrogène de deux manières différentes : par de l'hydrogène formé chimiquement à leur surface ou par du dihydrogène gazeux. L'hydrogène atomique se dissout rapidement dans le métal à température ambiante et provoque sa fragilisation. Il peut provenir d'attaques électrochimiques : acides (décapage, gravure ou nettoyage), corrosion ou électroplacage. Il peut aussi être introduit dans le métal pendant la fabrication à cause de la présence d'humidité lors d'une soudure ou lorsqu'il est fondu. Le dihydrogène gazeux, quant à lui, ne provoque pas de fragilisation, car il est moléculaire (H2) et donc plus volumineux et moins réactif que l'hydrogène atomique. Le dihydrogène gazeux peut tout de même provoquer une attaque par l'hydrogène à haute température, très différente de la fragilisation par l'hydrogène, puisqu'elle se produit à des températures supérieures à et entraîne la formation de poches de méthane dans le métalTWI – The Welding Institute. "What is high temperature hydrogen attack (HTHA) / hot hydrogen attack?". TWI - The Welding Institute. Retrieved 16 December 2020..
Le terme fragilisation par l'hydrogène peut être utilisé pour désigner précisément la fragilisation se produisant dans les aciers et les métaux similaires à basse concentration d'hydrogène, ou peut désigner l'ensemble des effets résultant de l'action de l'hydrogène sur les métaux. Cette définition plus large englobe alors la formation d'hydrure se produisant avec le titane et le vanadium mais pas avec les aciers, ainsi que la formation de bulles d'hydrogène dans le métal qui se produit à forte concentration d'hydrogène mais ne nécessite pas de contrainte mécanique. Les multiples mécanismes de la fragilisation par l'hydrogène ne sont pas encore pleinement compris et continuent d'être étudiésBarnoush, Afrooz. "Hydrogen embrittlement revisited by in situ electrochemical nanoindentations" (PDF). Archived on 2011-05-18. Retrieved 18 December 2020..
Histoire scientifique et technique Dès 1983, Airey et Van Rooyen démontrent qu'une présence d'hydrogène dissous dans le milieu environnant d'un métal peut aggraver le risque de corrosion, notamment de corrosion sous contrainte..
Depuis, les effets de l’hydrogène sur les métaux continuent à être étudiés par de nombreux laboratoires et chercheurs, car il s'agit d'un enjeu industriel, économique et de sécurité important, par exemple dans le domaine du transport et du stockage de l'hydrogène et dans celui de l'industrie nucléaireD. Caron, « Influence de l’hydrogène sur la vitesse de propagation des fissures de corrosion sous contrainte dans l’alliage 600 en milieu primaire des réacteurs nucléaires à eau sous pression », thèse, Institut national des sciences appliquées de Lyon, 2000.. T. Cassage, « An update on the influence of hydrogen on the PWSCC of nickel base alloys in high temperature water », Proc. 8th Int. Symp. on Environmental Degradation of Metals in Nuclear Power Systems-Water Reactors, Amelia Island, ANS, 1997, vol. 1, p. 307.F. Fort, Mécanismes de la CSC de l’Alliage 600 monocristallin et polycristallin en milieu primaire rôle de l’hydrogène dans le fer et les aciers, thèse, École des Mines de Saint-Étienne, 1999... On s'intéresse aussi aux effets des produits et sous-produits de la corrosion dispersés par l'eau dans l'installationF. Carette, Relâchement des produits de corrosion des tubes en alliage 690 de générateur de vapeur du circuit primaire des réacteurs à eau pressurisée, thèse, Institut national polytechnique de Toulouse, 2002.
L'hydrogène peut se mettre en solution : au cours de l'élaboration du métal (hydrogène endogène) (réduction du minerai, coulée du lingot ou coulée continue), d'où l'importance du dégazage du métal en fusion et de la maîtrise de l'humidité. On a montré par des dosages d’hydrogène dans les microstructures du métal que le laminage a un effet important sur la teneur du métal en hydrogène, très probablement en raison du fait qu'il multiplie le nombre des défauts susceptibles de constituer des pièges à hydrogène ; au cours d'une réaction chimique volontaire, comme l'électrozingage et de manière générale les réactions électrolytiques ; lors du soudage ; lors de la corrosion ; dans certaines conditions telles que les hautes températures ( à ) et hautes pressions, sous irradiation intense et en présence d'acide borique et de lithine (composé du lithium utilisé dans le circuit primaire de centrales nucléaires de type REP pour tamponner le pH de l'eau modifié par l'acide borique). De l'hydrogène peut alors se former dans le métal par réaction cathodique.
Mécanismes de fragilisation
La fragilisation par l'hydrogène est un phénomène complexe qui résulte de la contribution de plusieurs micro-mécanismes distincts, certains n'étant pas indispensables. L'hydrogène fragilise le métal, au moins dans les contextes physico-chimiques suivants : pression interne d'hydrogène : à forte concentration, l'hydrogène dissous peut se recombiner dans une cavité (pore) pour former une « bulle » ; si sa pression devient importante, typiquement , une fissure peut apparaître. Une telle situation nécessite une fugacité importante, que l'on rencontre en cas de réaction d'oxydo-réduction en milieu aqueux, mais pas en atmosphère d'hydrogène ; affaiblissement des liaisons inter-atomiques : les atomes d'hydrogène, en se glissant dans les sites interstitiels entre les atomes de métal, diminueraient la résistance à la rupture du métal. Ce phénomène nécessite une concentration importante d'hydrogène, que l'on peut rencontrer en fond de fissure (l'état de contrainte triaxial distord le cristal et augmente la solubilité de l'hydrogène). On soupçonne ce mécanisme essentiellement pour les alliages à haute résistance ; diminution de la ductilité : les atomes d'hydrogène peuvent interagir avec les dislocations et donc modifier la capacité à la déformation plastique, selon deux mécanismes antagonistes mais tous deux fragilisants : diminution de la plasticité, donc de l'énergie de rupture en fond de fissure, augmentation de la plasticité, donc concentration locale de déformation plastique ; formation de phases fragiles, comme des hydrures ou de la martensite (l'hydrogène jouant le rôle du carbone).
Pour certains alliages du cœur d'un réacteur nucléaire étudiés en laboratoire : en phase d'amorçage puis de propagation de micro fissures dues à la corrosion sous contrainte, la sensibilité au phénomène de fissuration semble corrélée au taux d'hydrogène dissous dans le milieu (par exemple, Cassage et Gelpi considèrent que l’Alliage 600 est fragilisé dès qu’il contient 10 ppm d’hydrogène (massique). Plus précisément : en phase d'amorçage des fissures par corrosion sous contrainte), une sensibilité maximale est notée pour une pression partielle de et entre 10 et . Cette gamme de concentration en hydrogène est proche du potentiel d’équilibre thermodynamique Ni/NiO ; ensuite, en phase de propagation, les essais de traction lente à 350 °C en milieu primaire, et pour une surpression de , une vitesse de fissuration plus faible qu’à a été observée par TotsukaTotsuka N., Z. Skzlarska-smialowska « Hydrogen induced IGSCC of Ni-containing FCC alloys in high temperature water » 3rd Int. Symposium on environmental degradation of materials in nuclear power system-water reactors, Traverse City, p 691, 30 aout-3 septembre 1987 (le premier à étudier cette propagation en fonction du taux d'hydrogène). Puis Rios, Abadie, Soustelle, Cassagne et CaronCassagne T, Combrade P, Foucault M.A et Gelpi A (1992) « Crack growth rate measurments on alloy 600 steam generators tubing in primary water and hydrogenated AVT water”, Proc. Of the 12th Scandinavian corrosion congress and Eurocorr’92, Vol. 2, Espoo, Finland, pp.55-67 C. Soustelle, P. Combrade, M. Foucault, A. Gelpi et T. Magnin, A parametric study of PWSCC of alloy 600, Eurocorr 98 : Solutions to corrosion problems, Utrecht (Pays Bas), 1998. ont montré ou confirmé que la vitesse de fissuration atteignait un maximum pour une teneur en hydrogène de proche du potentiel d’équilibre thermodynamique du couple Ni/NiO et sur la vitesse de propagation des fissures.
Quand le métal est expérimentalement exposé à une forte polarisation cathodique, sa sensibilité à la corrosion sous contrainte liée à l'hydrogène dissous ne diminue pas comme c'est le cas pour de fortes pressions partielles d’hydrogène, et il faisait remarquer que Vaillant (1997) ne note pas de diminution de vitesse de fissuration pour les faibles teneurs en hydrogèneF. Vaillant et S. Lehong, « Évaluation des vitesses de propagation en milieu primaire de matériaux traverses de cuve en alliage 600 et de métaux déposés en alliage 182 », note EDF HT- 44/96/024/A, 2 avril 1997..
Susceptibilité des matériaux L'hydrogène fragilise de nombreux métaux, notamment les aciers, l'aluminium (à haute température uniquement) et le titane. Le fer ayant subi une trempe austénitique est également sensible au phénomène, mais l'acier ayant subi une trempe bainitique (et éventuellement d'autres métaux trempés) présente une résistance accrue à la fragilisation par l'hydrogène. La NASA a examiné quels métaux sont sensibles à la fragilisation et lesquels ne sont sujets qu'à l'attaque par l'hydrogène à haute température. Parmi ces derniers, on retrouve les alliages de nickel, les aciers inoxydables austénitiques, l'aluminium et ses alliages, le cuivre (y compris les alliages, par exemple le cuivre-béryllium). Sandia a également produit un guide completMarchi, C. San (2012). "Technical Reference for Hydrogen Compatibility of Materials" (PDF)..
Aciers