L’objectif de cette étude est de caractériser expérimentalement la propagation de fissures de fatigue affectée par l’hydrogène (Hydrogen-Affected Fatigue Crack Growth, HAFCG) dans diverses conditions et de clarifier le mécanisme impliqué en se concentrant sur la plasticité en pointe de fissures. Pour cet objectif, dans une première étape, l’influence de l’hydrogène sur la déformation plastique a été étudiée à l’aide d’essais de traction effectués sur un fer commercialement pur, le fer Armco, sous hydrogène gazeux. Les résultats ont montré que l’effet de l’hydrogène sur la propagation des fissures après apparition de la striction est plus important que celui sur la déformation plastique uniforme. Le HAFCG a ensuite été étudié au moyen d’essais de fissuration pour diverses valeurs de l’amplitude de facteur d’intensité de contrainte ΔK, de pression d’hydrogène (PH2 = 3,5 et 35 MPa) et de fréquence de chargement (f = 0,02 - 20 Hz). Il a été révélé que les vitesses de propagation dans un régime à ΔK élevé étaient fortement augmentées par l'hydrogène, jusqu'à 50 fois plus élevé que celles dans l'air. Le mode de rupture est une rupture intergranulaire fragile dans un régime de propagation à faible ΔK, alors qu’on observe une rupture transgranulaire de type quasi-clivage dans un régime à ΔK élevé. La valeur de ΔKtr (valeur de ΔK déclenchant l'augmentation de la vitesse de fissuration) diminue en augmentant la pression PH2. En outre, la vitesse augmente en diminuant la fréquence f. Une fois que la fréquence devient inférieure à une valeur critique, la vitesse de fissuration diminue considérablement jusqu'au même niveau que celle sous azote. La plasticité en pointe de fissure a été analysée à plusieurs échelles par microscopie optique, par mesure de déplacement hors plan et par microscopie électronique à balayage par transmission de la structure de dislocation située immédiatement sous la surface de rupture (FIB/STEM). Aucune modification claire de la zone plastique monotone en pointe de fissure sous hydrogène n’a été observée, alors qu’une réduction drastique de la plasticité cyclique associée à l'augmentation de la vitesse a été identifiée. Sur la base des observations expérimentales, des modèles de mécanisme de fissuration intergranulaire induit par l'hydrogène impliquant la coalescence des micro-vides le long de joints de grain et de mécanisme de fissuration transgranulaire induit par l'hydrogène impliquant un clivage cyclique dû à la réduction de la plasticité en pointe de fissure ont été proposés. Trois critères caractéristiques de fissuration assistée par hydrogène (ΔKtr, gradient d'hydrogène (PH2 × f)1/2 et limite supérieure de vitesse de fissuration) ont été établis. Ces critères devraient être utiles pour améliorer la conception en fatigue et la fiabilité des équipements exposés à l'hydrogène gazeux. / The objective of this study is to experimentally characterize Hydrogen-Affected Fatigue Crack Growth (HAFCG) behavior under various conditions and clarify the mechanism by focusing on crack tip plasticity. For this objective, as a first step, the influence of hydrogen on plastic deformation has been investigated by means of tensile tests in a commercially pure iron, Armco iron, under gaseous hydrogen. The results of the tests pointed out that the hydrogen effect on crack propagation is more important than that on uniform plastic deformation. Then, the HAFCG was investigated by means of FCG tests under various conditions of crack tip stress intensity ΔK, hydrogen gas pressure (PH2 = 3.5 and 35 MPa) and loading frequency (f = 0.02 – 20 Hz). It has been revealed that the FCGRs in a high ΔK regime were highly enhanced by hydrogen up to 50 times higher than the one in air. The fracture mode was a brittle intergranular fracture in a low ΔK regime, while it is a brittle transgranular quasi-cleavage one in a high ΔK regime. The value of ΔKtr (value of ΔK triggering the FCGR enhancement) decreases by increasing the pressure PH2. Besides, the FCGR enhancement increases by decreasing the frequency f. Once f becomes lower than a critical value, the HAFCG rate significantly decreases down to the same level as in nitrogen., The crack tip plasticity was analyzed in a multiscale approach by means of optical microscopy, out-of-plane displacement measurement, and scanning transmission electron microscopy of dislocation structure immediately beneath the fracture surface (FIB/STEM). As a result, no clear modification of monotonic crack tip plasticity by hydrogen was observed, while a drastic reduction of cyclic crack tip plasticity associated with the FCGR enhancement was identified. Based on the experimental evidences, models of the hydrogen-induced intergranular FCG mechanism involving microvoid coalescence along grain boundary and the hydrogen-induced transgranular FCG mechanism involving cyclic cleavage due to crack tip plasticity reduction have been proposed. Three characteristic criteria of HAFCG (ΔKtr, hydrogen gradient (PH2 × f)1/2 and upper limit of FCGR) have been established. These criteria are expected to be useful for improving fatigue design and reliability of hydrogen-related equipment.

Les aciers ferrito-martensitiques sont d’excellents candidats potentiels en tant que matériaux de structure dans les futurs réacteurs de fusion. A ce titre, ils devront résister à des flux intenses de neutrons de 14 MeV qui créeront des cascades de déplacements atomiques et des produits de transmutation tels que l’hélium. Afin de mieux comprendre le comportement de base de ces aciers sous irradiation en présence d’hélium, nous avons étudié les effets de l’hélium et ceux du chrome dans le cadre de ce travail de thèse. Du fer pur et un alliage modèle Fe-5,4%pds Cr ont ainsi été irradiés dans la plateforme JANNuS à 500°C en bi-faisceau avec des ions Fe+ et He+ et en mono-faisceau avec des ions Fe+. L’utilisation de cette plateforme a permis de suivre l’évolution du dommage jusqu’à des doses faibles (1 dpa) et de caractériser la microstructure après irradiation à forte dose (100 dpa). Elle a également permis l’observation in situ dans un MET couplé à deux accélérateurs des effets cinétiques d’implantation/irradiation. La nature et la répartition des défauts d’irradiation ont été déterminés : ce sont essentiellement des boucles de dislocations de vecteur de Burgers de type a<100> et des cavités/bulles. Nous avons montré que la co-implantation d’hélium et l’addition de chrome réduisent la mobilité des boucles. Par ailleurs, avec ou sans hélium, l’addition de chrome réduit le gonflement dans toutes les conditions étudiées. De plus, dans le fer pur irradié avec hélium, un phénomène original de germination hétérogène de cavités/bulles dans les plans des boucles a été mis en évidence. Enfin, nous avons également utilisé le code de dynamique d’amas CRESCENDO pour interpréter les résultats expérimentaux dans le fer pur irradié avec hélium. / Ferritic-martensitic steels are excellent potential candidates for a use as structural materials in future fusion reactors. For this application, they will have to withstand high fluxes of 14 MeV neutrons that will create atomic displacement cascades and transmutation reactions which will produce large quantities of helium. In order to understand the basic mechanisms under irradiation with helium, we have studied the effects of helium and those of chromium. Pure iron and a Fe-5.4 wt. % Cr model alloy were irradiated at the JANNuS platform in dual-beam mode with Fe+ and He+ ions and in single-beam mode with Fe+ ions at 500ºC. This platform enabled us to follow the evolution of damage up to low doses (1 dpa) and to characterize the microstructure at high doses (100 dpa). It also allowed us to observe in situ irradiation/implantation kinetic effects in a TEM coupled to two accelerators. The nature and distribution of irradiation defects was determined: they are essentially dislocation loops with a<100> Burgers vectors and cavities/bubbles. We have demonstrated that the co-implantation of helium and the addition of chromium both reduce the mobility of dislocation loops. The addition of chromium reduces swelling for all the irradiation conditions studied, with or without helium. In pure iron irradiated with helium, an original phenomenon was discovered for the first time: cavities/bubbles nucleate heterogeneously on the planes of the dislocation loops. We have also interpreted our experimental results in pure iron irradiated with helium using the cluster dynamics code CRESCENDO.