La fragilisation par l'hydrogène est un mode de rupture fragile typique de l'acier à haute résistance. Les atomes d'hydrogène libres pénétrant dans la matrice de l'acier s'accumulent au niveau des défauts internes, des joints de grains et des régions de concentration de contraintes, provoquant une forte augmentation des contraintes internes locales. Lorsque la contrainte concentrée induite par l'hydrogène- dépasse la limite de résistance locale de l'acier, des microfissures irréversibles s'initient à l'intérieur du matériau. Après le formage et l'entretien des boulons, sous l'effet couplé des contraintes résiduelles internes et des contraintes de travail externes, ces microfissures continuent de se propager et finissent par conduire à une rupture fragile et soudaine.
La fragilisation par l'hydrogène est irréversible. Cela ne peut être évité que par le contrôle des processus et des conditions de travail plutôt que de l'éliminer par un post-traitement. Par conséquent, une compréhension claire des facteurs induisant la fracture par fragilisation par l’hydrogène est essentielle pour éviter fondamentalement de telles défaillances. Les principales causes de fragilisation par l'hydrogène dans les boulons en acier allié comprennent la pénétration de l'hydrogène pendant le décapage, l'hydrogène résiduel pendant la fusion, l'absorption d'hydrogène provenant des environnements de service et la fracture fragile retardée induite par l'hydrogène-.
1. Pénétration de l’hydrogène pendant les processus de décapage
Les procédures de pré-traitement, notamment le décapage, la phosphatation, la saponification et la galvanoplastie, sont les principales sources d'intrusion d'hydrogène lors de la fabrication des boulons. Parmi ces procédés, le décapage et la phosphatation présentent le comportement de dégagement et de pénétration d'hydrogène le plus significatif. Lors du traitement de phosphatation, le milieu acide forme de nombreuses cellules microgalvaniques entre les structures de fer et de carbone de l'acier. Un film de phosphate dense se forme à la surface de la pièce au niveau de l'anode, tandis que de graves réactions de dégagement d'hydrogène se produisent au niveau de la cathode, générant un grand nombre d'atomes d'hydrogène actifs.
Les atomes d'hydrogène nouvellement générés présentent un petit volume et une activité élevée, ce qui leur permet de pénétrer facilement dans la surface de l'acier et de rester à l'intérieur de la matrice. La pénétration de l'hydrogène de procédé pendant la fabrication est la principale cause de fracture par fragilisation par l'hydrogène dansboulons en acier allié.
2. Élimination incomplète de l’hydrogène pendant la fusion
Lors de la fusion de l'acier allié, des traces d'hydrogène sont introduites par les matières premières, les gaz de four et les fluides de refroidissement. Limités par la température de fusion, l'environnement du four, les processus de dégazage et le contrôle des processus, les atomes d'hydrogène présents dans l'acier en fusion ne peuvent pas être complètement éliminés, laissant une certaine quantité d'hydrogène résiduel dans la matrice de l'acier.
L'hydrogène résiduel réduit la force de liaison des joints de grains d'acier et augmente la fragilité structurelle. Lors des traitements thermiques ultérieurs, des frappes à froid et des chargements de service, il accélère l'initiation et la propagation des microfissures et augmente considérablement le risque de fracture par fragilisation par l'hydrogène.
3. Absorption d’hydrogène provenant d’environnements de services externes
Lorsque les boulons sont utilisés dans des environnements -humides, pluvieux ou corrosifs à long terme, des réactions électrochimiques se produisent sur la surface du boulon déclenchées par l'humidité et les milieux corrosifs. Ces réactions génèrent en permanence des atomes d’hydrogène actif qui pénètrent dans la matrice du boulon.
Dans les environnements pluvieux, à forte humidité et à brouillard salin épais, les boulons absorbent l'hydrogène à un rythme plus rapide avec une accumulation d'hydrogène plus élevée, ce qui entraîne une probabilité beaucoup plus élevée de fracture par fragilisation par l'hydrogène par rapport aux conditions de travail sèches.
4. Fracture fragile retardée induite par l'hydrogène
Il s’agit du principal mode de défaillance de la fragilisation par l’hydrogène. L'hydrogène résiduel libre à l'intérieur de la matrice du boulon s'accumule continuellement dans les zones de concentration de contraintes sous l'action combinée de la contrainte de précharge résiduelle et de la charge opérationnelle alternée. L'enrichissement en hydrogène réduit considérablement la ténacité du matériau et favorise la propagation lente des microfissures inhérentes, provoquant finalement une fracture fragile retardée sans symptômes évidents de pré--défaillance. Il s'agit d'un mode de défaillance soudaine typique à faible contrainte.
Mesures de prévention de la fragilisation par l’hydrogène
Fragilisation par l'hydrogèneboulonsrepose essentiellement sur la prévention. Dans la production et l'application réelles, les matières premières à faible-sensibilité à l'hydrogène-doivent être sélectionnées en fonction des qualités de résistance des boulons et des conditions de service. Les processus clés tels que le traitement thermique, le décapage, la phosphatation et la galvanoplastie doivent être optimisés, accompagnés d'un traitement de déshydrogénation strict et d'un contrôle qualité complet-du processus. Des mesures de prévention complètes couvrant la sélection des matières premières, la fabrication, le traitement de surface, l'assemblage et l'exploitation peuvent éliminer efficacement les risques de fragilisation par l'hydrogène.
