Dans un contexte industriel en évolution permanente, les aciers austénitiques Fe-Mn-C sont développés afin d’obtenir une résistance mécanique élevée tout en conservant une ductilité considérable. Cependant, ces aciers présentent une sensibilité à différentes formes d'endommagement par l'hydrogène, notamment la corrosion sous contrainte. L'objectif de cette étude est de caractériser l'influence de la composition chimique et de l'état microstructural de ces alliages sur leur sensibilité aux phénomènes de fragilisation par l’hydrogène (FPH), lorsqu’ils sont soumis à des phénomènes de corrosion aqueuse. Ce travail est introduit par une présentation générale de la métallurgie des aciers austénitiques Fe-Mn-C ainsi que des méthodes expérimentales utilisées. Le traçage isotopique de l’hydrogène avec du deutérium par analyse SIMS a permis d’étudier les mécanismes de diffusion de l’hydrogène dans ces alliages. L’étude du comportement en corrosion aqueuse de ces alliages, par des tests électrochimiques et des immersions au potentiel libre dans des environnements aqueux deutérés, a mis en évidence l’influence des éléments d’addition sur la prise d’hydrogène associée à la corrosion.La sensibilité à la FPH de ces aciers a été caractérisée par des essais de traction in situ. Ils montrent que les interactions hydrogène-plasticité ont un rôle essentiel sur les mécanismes régissant la FPH. Cette étude a également montré une forte influence des éléments d’addition sur la FPH. Finalement, les résultats de cette étude nous ont permis de discuter des mécanismes associés à l’influence des éléments d’addition sur la sensibilité à la FPH de ces aciers. / The automotive industry is a sector in constant evolution, in which the lightening of structures by the use of new alloys, in order to save energy, is one of the main objectives. In this context, austenitic Fe-Mn-C steels are developed in order to obtain high mechanical strength associated with considerable ductility. However, these steels are sensitive to different forms of hydrogen damage, in particular stress corrosion cracking. The objective of this study is to characterize the influence of the chemical composition and the microstructural state of these alloys on their sensitivity to hydrogen embrittlement (HE) phenomena associated with corrosion process in aqueous media. This work starts with a general presentation of the metallurgical properties of austenitic Fe-Mn-C steels and of the experimental techniques. Then, the isotopic tracing of hydrogen with deuterium by SIMS analysis allowed studying hydrogen diffusion mechanisms in these alloys. The corrosion of these steels in aqueous media have been studied by electrochemical tests and immersions at the rest potential in deuterated solution ; the influence of alloying elements on the hydrogen absorption during corrosion war characterized in detail. In situ tensile tests were used to characterize the HE susceptibility of these steels. They show that hydrogen-plasticity interactions play a predominant role in the HE mechanisms. This study also showed a strong influence of alloying elements on HE. Finally, the results of this study allowed discussing the mechanism involved in the role of alloying elements on the HE susceptibility of these steels.

Cette étude porte sur la Fragilisation par Hydrogène (FPH), sous voie gazeuse haute pression et à température ambiante, d'un acier à Haute Limite d'Elasticité (HLE) de grade API X80, utilisé pour la construction de pipelines, ainsi que sur la compréhension des mécanismes physiques de fragilisation associés. Ce travail s'inscrit dans un contexte de développement d'une nouvelle politique énergétique, basée sur l'utilisation d'énergies renouvelables, et dans laquelle l'utilisation de l'hydrogène, en tant que vecteur énergétique, s'inscrit pleinement. Dans cette optique, l'utilisation de pipelines en acier HLE semble être, pour le transport de l'hydrogène à grande échelle et à moindre coût, une des solutions à envisager. Celle-ci nécessite cependant de quantifier, et de comprendre, l'impact de l'hydrogène sur ces aciers. En premier lieu, ce travail s'est axé sur l'étude bibliographique des phénomènes d'adsorption, d'absorption, de diffusion, de transport et de piégeage de l'hydrogène dans les aciers. Il est s'accompagné d'un travail expérimental et numérique permettant l'implantation, dans le code de calcul par éléments finis CAST3M, d'un modèle de diffusion de l'hydrogène couplé aux champs mécaniques. En second lieu, l'influence de l'hydrogène sur les caractéristiques mécaniques de l'acier X80, de microstructure ferrito-perlitique, a été étudiée aux moyens d'essais de traction sous 300 bar d'hydrogène et à température ambiante. Une fois mise en évidence, la sensibilité de l'acier X80 à la FPH a été analysée plus en détail via la réalisation d'essais de traction à différentes vitesses de déformation, sous diverses pressions d'hydrogène, et sur des éprouvettes axisymétriques entaillées. Ces travaux ont montré que l'ampleur de la FPH varie effectivement avec les conditions expérimentales. De plus, corrélés aux résultats issus des simulations de ces essais, ils ont également mis en lumière que, dans nos conditions expérimentales et pour cet acier, la FPH est induite par trois populations distinctes d'hydrogène : l'hydrogène piégé aux interfaces ferrite/perlite, l'hydrogène adsorbé en surface, et enfin l'hydrogène réticulaire et piégé dans le volume du matériau. En dernier lieu, la réalisation d'essais de traction et de rupture de disques, durant lesquels des changements d'atmosphères ont été réalisés, ont montré une forte réversibilité de la FPH, associée à son apparition quasi immédiate dès l'introduction d'hydrogène dans l'atmosphère. Corrélés aux simulations de ces essais, ces résultats ont mis en exergue le rôle de l'hydrogène adsorbé dans les mécanismes de fragilisation de l'acier X80. Ces travaux ont également mis en évidence que l'hydrogène fortement piégé ne participe pas à la fragilisation de l'acier. Au contraire, l'hydrogène réticulaire et faiblement piégé (WB ≤ 16 kJ/mol), présent à proximité de la surface, semble amplifier l'effet fragilisant de l'hydrogène adsorbé. Au final, trois mécanismes de fragilisation, associés chacun à une des populations d'hydrogène incriminées dans la FPH de l'acier X80, sont présentés et discutés. Il ressort principalement de cette étude que l'hydrogène adsorbé, par son influence sur l'organisation des atomes du matériau en surface, a un rôle de tout premier plan dans la FPH sous voie gazeuse haute pression et à température ambiante de l'acier X80 / Manquant

Thèse de doctorat : Sciences des matériaux : Lille 1 : 2001. / Résumés en français et en anglais. Bibliogr. en fin de chapitres.

Le polyamide 11 (PA11) est soumis à des conditions particulières d’utilisation (contraintes mécaniques, température élevée en présence d’eau) au cours desquelles ses caractéristiques mécaniques et physico-chimiques peuvent être altérées. Notamment l’hydrolyse peut générer une fragilisation du matériau par coupure des chaines macromoléculaires. On peut trouver dans la littérature des rapprochements entre propriétés macroscopiques et propriétés microstructurales afin de caractériser la transition ductile-fragile du polyamide. Mais peu d’attention a été portée jusqu’à présent sur la modélisation du comportement mécanique évoluant avec le vieillissement en lien avec la diffusion d’eau dans le matériau.L’objectif de ce travail de thèse est donc de pouvoir prédire la transition ductile-fragile des polyamides, du PA11 en particulier, au cours d’un vieillissement en température et en milieu aqueux acide.La première partie du travail de thèse a porté sur la compréhension de la dégradation mécanique du PA11 en fonction d’un vieillissement hydrique et thermique (à pH4 et à 110°C) en s’appuyant sur une campagne expérimentale afin de relier l’évolution du comportement mécanique macroscopique à celle de descripteurs physico-chimiques. Tout d’abord, des essais de vieillissement en milieu acide et en température ont été effectués pour évaluer la dégradation aux temps longs du PA11. Puis, pour décorréler les effets de l’hydrolyse des effets de recuit, des essais de vieillissement thermique uniquement, en milieu neutre, ont été réalisés. Des essais de traction à la rupture, et des essais de fluage ont ensuite été menés dans le but de mesurer d’éventuelles modifications des propriétés mécaniques au cours du vieillissement. Différentes caractérisations physico-chimiques (DSC, GPC, FTIR, viscosimétrie) ont permis de relier des changements morphologiques à différentes échelles du matériau à l’évolution de ces grandeurs mécaniques macroscopiques. Dans un second temps, une modélisation de la transition ductile-fragile du PA11 au cours du vieillissement a été mise en place. L’évolution de descripteurs physico-chimiques a été intégrée dans le formalisme d’un modèle mécanique développé à IFPEN pour rendre compte du comportement biphasique des polymères semi-cristallins. Le modèle permet de décrire l’impact du vieillissement sur le comportement mécanique du PA11, en particulier l’initiation ainsi que la propagation d’une striction le cas échéant. Enfin, une modélisation de la rupture du PA11 par fragilisation est proposée. / The prediction of the long-term behaviour of polyamides (PAs) is a major challenge for the structural design of various technological equipment in the field of energy and transport. PAs are very ductile when new, but they are sensitive to hydrolysis.Structure-properties relationships of PAs during ageing in water have been somewhat studied in literature. But little attention has been paid so far to the modeling of the mechanical behavior evolving with ageing in relation to the diffusion of water in the material.This work aims to be able to predict the ductile-brittle transition of polyamides, PA11 in particular, during ageing in temperature and acidic aqueous medium.The first part of the work focused on understanding the mechanical degradation of PA11 as a function of hydric and thermal ageing (at pH4 and at 110 ° C), based on an experimental campaign in order to link the evolution of the macroscopic mechanical behavior to that of physicochemical descriptors. First, acid and temperature ageing tests were performed to evaluate the long-term degradation of PA11. Then, in order to decorrelate the effects of the hydrolysis of the annealing effects, tests of thermal ageing only, in neutral environment, were carried out. Tensile tests at break and creep tests were then performed in order to measure possible changes in the mechanical properties during ageing. Different physicochemical characterizations (DSC, GPC, FTIR, viscosimetry) made it possible to link morphological changes at different scales of the material to the evolution of these macroscopic mechanical quantities.Secondly, a modeling of the ductile-brittle transition of PA11 during ageing was put in place. The evolution of physicochemical descriptors has been integrated into the formalism of a mechanical model developed at IFPEN to account for the biphasic behavior of semi-crystalline polymers. The model makes it possible to describe the impact of ageing on the mechanical behavior of PA11, in particular the initiation as well as the propagation of a neck if necessary. Finally, a model of the rupture of PA11 by embrittlement is proposed.

Nous avons étudié le vieillissement thermooxydant de films de polypropylène isotactique (iPP) dans l'intervalle de température 70-150°C par des méthodes classiques (spectrométrie IR, essai de traction) et moins courantes (mesure de masse molaire), voire relativement nouvelles (travail essentiel de rupture EWF). Il apparaît que le polymère, initialement fortement ductile, adopte un comportement fragile (en traction) alors que le phénomène d'oxydation est encore indétectable par IR. Cette fragilisation, correspondant à une localisation de la déformation plastique, apparaît comme une conséquence d'un processus de coupure de chaîne de type aléatoire : la transition ductile-fragile se manifeste lorsque la masse molaire en poids atteint une valeur critique M'C=200 kg/mol, ce qui est compatible avec les données disponibles sur des échantillons vierges de masse molaire variable. Ce résultat est donc difficile à concilier avec les théories, courantes dans la littérature, selon lesquelles la fragilisation serait attribuable à la formation de défauts induits par oxydation hétérogène à petite échelle. L'analyse approfondie des résultats suggère au contraire que l'oxydation est homogène (dans la phase amorphe) et affecte la connectivité interlamellaire dont on connaît le rôle crucial dans le processus de déformation plastique. Partant de ce constat, nous avons élaboré un modèle cinétique rendant compte de l'évolution de la structure, en particulier de la masse molaire, dans lequel un couplage réaction-diffusion permet de prédire la distribution des produits d'oxydation à tout instant. Nous avons utilisé ce modèle pour prédire la durée de vie, le critère de fin de vie étant la fragilisation, soit M=M'C. La confrontation avec l'expérience (allure des courbes cinétiques, valeur des durées de vie, profil de distribution des produits d'oxydation dans l'épaisseur) démontre les capacités prédictives du modèle dont la caractéristique principale est qu'il ne comporte pas de paramètre empirique.

Nous avons étudié la thermooxydation du polyoxyméthylène (POM) stabilisé et non stabilisé à différentes températures, entre 90 et 150°C et différentes pressions d'oxygène, entre la pression atmosphérique et 20 bars. Les principales caractéristiques du processus de vieillissement sont les suivantes : diminution lente de la masse moléculaire accompagnée d'une perte de masse importante, fortement dépendante de la pression d'oxygène, et relative rareté des produits d'oxydation observables par spectrophotométrie infrarouge (essentiellement formiates en bout de chaînes). Ceci nous conduit à proposer un schéma mécanistique dans lequel des radicaux peroxyles attaquent les méthylènes de la chaîne pour donner des hydroperoxydes instables dont la décomposition conduit à la formation d'un formiate et amorce un mécanisme de dépolymérisation caractérisé par une longueur de chaîne cinétique approximativement voisine de cent.<br /><br />Un modèle cinétique a été dérivé de ce schéma. Il rend raisonnablement compte de tous les résultats expérimentaux obtenus, même si des questions restent ouvertes, en particulier à propos de la stabilisation.<br /><br />L'analyse des mécanismes de fragilisation induite par le vieillissement suggère que le phénomène le plus important est la coupure statistique de chaîne, la rupture passant du régime ductile au régime fragile lorsque la masse molaire atteint 80 +/- 20 kg/mol. Cependant, il est probable que l'évolution de la morphologie (réduction de la couche amorphe entre lamelles), joue également un rôle non négligeable. Une méthode non empirique de prédiction de durée de vie, fondée sur ces résultats, est proposée mais la détermination de tous les paramètres caractérisant les échantillons industriels (stabilisants ?, antichoc polyuréthane ?, ...) n'a pas pu être totalement accomplie.

Les aciers THLE ont la particularité de posséder à la fois une bonne ductilité et de hautes caractéristiques mécaniques. Ceci les rend particulièrement adaptés pour l'industrie automobile, dont les principales exigences sont l'allègement du véhicule et la sécurité des passagers. Toutefois, il est bien connu que l'augmentation des caractéristiques mécaniques accroît la susceptibilité à la fragilisation par l'hydrogène. Ce travail de thèse est consacré à l'étude de la susceptibilité vis-à-vis de la fragilisation par l'hydrogène de quatre aciers THLE : un DP, un TRIP, un CP et le BAS 100, un acier enrichi en vanadium et chrome. Un acier aux propriétés mécaniques plus modestes, dénommé HE (Haute Elasticité) a servi de référence. Les caractéristiques de transport de l'hydrogène dans ces aciers ont été étudiées, grâce à des essais de perméation électrochimique avec chargement en milieu acide, éventuellement additionné d'un promoteur d'hydrogénation (l'arsenic). Comme observé sur d'autres aciers, il faut souligner l'absence de conditions d'entrée stationnaires, dont il faut tenir compte dans l'évaluation des caractéristiques de diffusion. La diffusivité à température ambiante est apparue élevée pour tous les aciers, et une corrélation a été établie entre la microstructure et la diffusivité de l'hydrogène dans le matériau : plus la microstructure est fine et complexe, moins la diffusivité est élevée. De plus, l'évaluation des concentrations subsurfaciques sur les courbes en présence d'arsenic a révélé des valeurs relativement élevées pour les trois aciers aux caractéristiques mécaniques les plus élevées (TRIP 800, CP 800 et BAS 100). Ces valeurs sont conformes avec les teneurs en hydrogène diffusible mesurées par dosage juste après la perméation. Les dosages d'hydrogène résiduel, réalisés par désorption thermique sous vide après perméation, ont par ailleurs indiqué que le piégeage profond dans ces aciers était peu important, même après chargement sous polarisation et en présence d'arsenic. Ceci peut s'expliquer par des structures très bien élaborées, très fines et comportant peu de défauts. Des essais de traction ont montré qu'une hydrogénation sévère (en présence d'un promoteur) était nécessaire pour obtenir une fragilisation notable des aciers THLE. Hormis les cas extrêmes de dégradation spontanée par HIC (cloquage, fissuration), la fragilisation est imputable à l'hydrogène diffusible ou faiblement piégé car les teneurs en hydrogène piégé profondément restent négligeables. Dans les conditions industrielles, en décapage acide HCl en présence d'inhibiteurs, les résultats de perméation, de dosage et de traction s'accordent à montrer l'absence de fragilisation sur ce type d'acier. Les inhibiteurs testés semblent jouer un rôle de barrière physique, par adsorption sur le métal nu, limitant ainsi tant l'entrée d'hydrogène que la corrosion.

Cette étude porte sur la sensibilité à la fragilisation par l'hydrogène (FPH) d'un alliage base nickel, l’Inconel 718 issu d’un procédé de fabrication additive (FA), sous sollicitation cyclique. Cematériau est utilisé pour la réalisation de certains composants des ensembles propulsifs d’Ariane qui sont fabriqués par Ariane Group. Dans ce domaine, certaines pièces sont sollicitées sous « ambiancehydrogène ». Ainsi, le risque de fragilisation de ces pièces est une problématique de premier ordre.Pour cela, nous avons caractérisé l’état métallurgique d’un Inconel 718 FA à différentes échelles structurales afin d’observer un possible impact du procédé de mise en œuvre sur la microstructure, puis d’envisager sa conséquence sur le comportement mécanique et la sensibilité à la FPH de l’alliage. Notons que nous avons conduit une étude plus réduite sur un alliage forgé afind’avoir des éléments de comparaison. Afin de comprendre les mécanismes de fragilisation par hydrogène de l’Inconel 718 FA, il est nécessaire de connaitre l’état et la mobilité de l’hydrogène dans le matériau. Des analyses deperméation électrochimique (PE) et gazeuse (PG), ainsi que de spectroscopie de désorption thermique (TDS) apportent des éléments de compréhension des mécanismes de piégeage et de diffusion de l’hydrogène. Ils permettent de discuter l’implication des joints de grains dans les mécanismes dediffusion ainsi que l'effet des hétérogénéités microstructurales sur les mécanismes de piégeage dans l’Inconel 718 FA.D'autre part, l’influence de l’hydrogène sur le comportement mécanique a été questionnée en traction et en fatigue oligocyclique en terme de comportement élasto-viscoplastique, de processus d’initiation, de propagation de fissure en fatigue et de ténacité. Dans ce cadre nous présentons, dans unpremier temps, l’étude du comportement en traction et sa sensibilité à l’hydrogène pour l’Inconel 718 FA. Nous questionnons lors de cette partie l’effet de la vitesse de sollicitation sur les mécanismes defragilisation ainsi que sur les différentes interactions hydrogène/matériau. Des essais de traction interrompue ont été réalisés afin de questionner l’effet de l’hydrogène sur le comportement viscoplastique et notamment questionner les interactions hydrogène/plasticité.Dans un deuxième temps, le comportement en fatigue de l’Inconel 718 FA en présence d’hydrogène gazeux est interrogé à l’aide d’essais de fatigue pour un rapport de charge, R de 0,1 sous une pression d’hydrogène de 300 bar. Il est clairement mis en évidence une réduction du nombre decycles à rupture en présence d’hydrogène ainsi qu’un changement de mode de rupture. L’impact de l’hydrogène a été évalué sur les étapes d’initiation et de propagation de fissures ainsi que sur la ténacité du matériau en fonction de la métallurgie de l’alliage.L'ensemble des résultats obtenus permettent une discussion de la sensibilité du matériau à la FPH, tenant compte en particulier des interactions hydrogène/plasticité. / This study focuses on the hydrogen embrittlement sensitivity (HE) under cyclic loading of a nickel based alloy, Inconel 718, manufactured by the additive manufacturing process (AM). This material is used in some components of Ariane cryogenic engines that are manufactured by ArianeGroup. Some of these components are solicited under "hydrogen atmosphere", and the risk of embrittlement is a major problem.The metallurgical states of the Inconel 718 AM alloy have been characterized at different structural scales in order to observe a possible impact of the manufacturing process on the microstructure and discuss the possible consequences on the mechanical behaviour of the alloy underhydrogen pressure. Moreover, a forged alloy has also been studied for comparison.To discuss the mechanisms of hydrogen embrittlement in the material, it is first necessary to study the hydrogen behaviour in the material. Electrochemical and gaseous permeation analyses as well as TDS were performed to provide insights into the mechanisms of hydrogen diffusion. Fromthese results, the involvement of grain boundaries in the diffusion mechanisms and the effect of microstructural heterogeneities on the trapping mechanisms in this material have been discussed.On the other hand, the influence of hydrogen on the mechanical behaviour has been investigated under monotonic and cyclic loading in terms of elasto-viscoplastic behaviour, crack initiation process, fatigue crack propagation and toughness. In a first part, the tensile behaviour of the Inconel 718 AMunder hydrogen pressure has been considered. The effects of the loading rate on the mechanisms of embrittlement have been addressed. Moreover, interrupted tensile tests have been carried out to identify the effect of hydrogen on the viscoplastic behaviour and allowing to discuss hydrogen /plasticity interactions.The fatigue behaviour of Inconel 718 AM in the presence of hydrogen gas was investigated by cyclic tests for a 0.1 load ratio (R) under a 300 bar H2 at room temperature. It has been shown that hydrogen leads to a clear decrease of the number of cycles to rupture and to a change in failure mode.The impact of hydrogen has been evaluated on the fatigue crack initiation and propagation stages as well as on the toughness of the material.Finally, all the obtained results allowed a discussion of the hydrogen embrittlement sensitivity of the material, taking into account the hydrogen / plasticity interactions.

Ce travail de thèse considère les modes de déformations des verres métalliques produits sous différentes formes (verres massifs, rubans et particules). La déformation hétérogène dans des échantillons massifs de verres métalliques à base de zirconium est étudiée par microscopie électronique à balayage. Le dégagement rapide de l'énergie élastique stockée sous forme de chaleur lors de la déformation est responsable de la fusion locale observée dans les bandes de cisaillement. Le calcul du profil de température autour d'une bande par un modèle analytique est cohérent avec les observations morphologiques et les rapports d'apparition de nano-cristaux dans la zone déformée. La mise en forme par recuit des rubans de verres métalliques a été étudiée. L'étude aboutit à la mise en forme sans fragilisation des rubans appartenant à différentes compositions de systèmes d'alliages dit métal-métal et métal-métalloïde. Un processus de traitement thermique est suggéré pour assurer la redistribution des contraintes imposées avant l'intervention de la fragilité thermique. Un brevet industriel basé sur ces résultats a été conjointement déposé avec un grand fabriquant de montres mécaniques. De nouveaux matériaux composites d'alliages légers commerciaux à base de Mg et d'Al renforcés par des dispersions de particules de verres métalliques ont été réalisés sans porosité. Une amélioration très nette des propriétés mécaniques est obtenue.

Les aubes de la turbine haute pression des turboréacteurs ou des turbines terrestres sont des composants importants soumis à des chargements thermomécaniques sévères. Ces aubes sont fréquemment réalisées en superalliage à base de nickel monocristallin. Les modèles de durée de vie actuels décrivent l'amorçage de microfissures, alors que plusieurs études ont montré la nécessité de tenir compte de leur propagation. L'objet de cette thèse était donc de la modéliser par l'approche locale de la rupture en fatigue et en fatigue-fluage. Nous avons d'abord identifié une loi de comportement cristallographique dans des conditions de sollicitation variées. Cette loi a été utilisée pour simuler l'activation des systèmes de glissement en pointe de fissure à haute température sous sollicitations cycliques. Des essais de fissuration à haute température ont alors été réalisés pour comprendre l'influence de plusieurs paramètres. On montre notamment que les effets de l'orientation cristallographique ou de l'environnement sont peu marqués. Deux modèles complémentaires de propagation de fissure sont proposés. Le premier permet d'estimer rapidement la vitesse de propagation en fonction des conditions de chargement. Il s'agit d'un post-traitement de calculs cycliques par éléments finis, utilisable à moyen terme en milieu industriel. Le deuxième modèle permet de simuler le chemin de fissuration, notamment la bifurcation de fissure. C'est un modèle d'endommagement continu. Ces outils ont été validés dans plusieurs conditions de chargement. Ils offrent des perspectives prometteuses d'amélioration des prédictions de durée de vie. L'extension des modèles au cas anisotherme, la modélisation non locale de l'endommagement et la diminution des temps de calcul sont des points sur lesquels des progrès sont possibles.