Etude de la susceptibilité des aciers inoxydables maraging à la fragilisation par l’hydrogène

Study of the hydrogen embrittlement sensitivity of maraging stainless steel

• Auteur / Autrice : Pierre Schutz
• Direction : Laurence Latu-Romain, Yves Wouters
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, électrochimie, génie civil
• Date : Soutenance le 03/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Marian Chatenet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Latu-Romain, Christine Blanc, Eric Andrieu, Frantz Martin, Quentin Auzoux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Christien, Stéphane Mathieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Fragilisation par l'hydrogène

Acier inoxydable -- Fatigue

Mots clés libres

Science des matériaux

Hydrogène

Acier inoxydable

Métallurgie

Fragilisation par hydrogène

Hydrogen

Hydrogen embrittlement

Metallurgy

Stainless steel

Materials science

Résumé

Les aciers inoxydables martensitiques à durcissement par précipitation (nommés maraging) sont des nuances possédant de hautes caractéristiques mécaniques, ajustables grâce aux traitements thermiques, en jouant notamment sur la taille des précipités durcissant ainsi que sur la fraction d’austénite de réversion pouvant apparaître lors du revenu. Ce type d’aciers inoxydables est aussi réputé pour être hautement susceptible au phénomène de fragilisation par l’hydrogène (FPH). Bien que les mécanismes ne soient pas encore bien établis, cette susceptibilité importante limite l’utilisation de ces aciers pour se substituer, dans certaines applications « hydrogène », aux traditionnels 316/316L. Dans ce contexte, la compréhension des mécanismes affectant spécifiquement ces aciers est essentielle pour être en mesure de développer à terme de nouvelles nuances maraging présentant une résistance à la FPH améliorée. Trois nuances maraging sont donc choisies pour cette étude : 17-4 PH, 1.4543 et 1.4614. Une attention toute particulière est donnée aux interactions H-microstructure et à la susceptibilité à la FPH qui en résulte. Dans cette optique, une caractérisation structurale fine a été réalisée en se focalisant notamment sur : la densité de dislocations (estimée par DRX-Synchrotron), la fraction d’austénite résiduelle et/ou de réversion (EBSD/DRX) ainsi que les précipités durcissant nanométriques (TEM/ACOM). L’influence des différents éléments microstructuraux sur la diffusion et le piégeage de l’hydrogène a été appréciée en couplant perméation électrochimique et spectroscopie de thermodésorption (TDS). Enfin, la susceptibilité à la FPH a été qualifiée grâce à des essais de traction lente avec chargement cathodique in-situ. Les résultats, en particulier issus de la nuance 17-4 PH, montrent un piégeage important ayant lieu aux interfaces précipité/matrice lorsque les précipités sont fins (< 10 nm). Dans le cas des précipités de Cu, ce piégeage semble tantôt bénéfique ou tantôt délétère quant à la résistance à la FPH et ce dépendamment de la nature de ces interfaces. Lorsque les interfaces sont plutôt cohérentes, l’énergie de piégeage est relativement faible et les interfaces précipités/matrice pourraient agir comme des sources d’hydrogène pouvant diffuser facilement en fond de fissure. A l’inverse, les interfaces incohérentes piègent plus fortement l’hydrogène, endiguant plus efficacement sa progression vers le fond de fissure. Par ailleurs, il semblerait que l’austénite de réversion finement dispersée entre les lattes de martensite soit bénéfique pour la résistance à la FPH tandis que l’austénite résiduelle plus grossière, répartie de manière moins homogène et particulièrement instable ne contribue pas à l’amélioration de la tenue mécanique en présence d’hydrogène. D’après les conclusions établies sur les trois nuances maraging de cette étude, une optimisation de la microstructure des aciers maraging semble émerger afin d’améliorer leur résistance à la FPH. Il conviendrait d’ajuster la composition chimique de la nuance en vue d’obtenir lors du revenu une importante fraction d’austénite de réversion tout en évitant un grossissement excessif des précipités.

Precipitation hardening martensitic stainless steels (also known as maraging stainless steel) are grades with high mechanical properties that can be adjusted by heat treatment, in particular by modifying the size of the hardening nano-precipitates and the fraction of reverted austenite (γrev) that may appear during ageing. These stainless steels are also known to be highly sensitive to hydrogen embrittlement phenomena (HE). Although the mechanisms are not yet well established, their high HE susceptibility considerably limits the use of these steels as substitutes for the traditional 316/316L in certain hydrogen applications. In this context, understanding the mechanisms affecting these steels is essential to be able to develop new maraging grades combining high mechanical properties with improved resistance to HE. Thus, in this study three maraging grades were investigated: 17-4 PH, 1.4543 and 1.4614. Special attention was paid to H-microstructure interactions and the resulting HE susceptibility. To do so, fine structural characterization was carried out focusing on: dislocation density (based on Synchrotron-XRD line profile analysis), fraction of retained and/or reverted austenite (EBSD/XRD) as well as the nano-precipitates size, density and orientation (TEM/ACOM). The influence of the different microstructural elements on H trapping was assessed by coupling electrochemical permeation and thermal desorption spectrometry (TDS). Finally, the HE susceptibility was qualified by slow strain rate tensile tests (SSRT) with in-situ H cathodic charging. The results showed significant trapping taking place at the nano-precipitate/matrix interfaces when the precipitates were fine (< 10 nm). In the case of Cu precipitates (present in 17-4 PH grade), the intensity of this trapping and its effect on the HE resistance depended on the nature of these interfaces. Indeed, when the interfaces were slightly coherent, the trapping energy was relatively low and the precipitate/matrix interfaces might operated rather as diffusible H sources that can easily provide H ahead the crack tip. On the other hand, incoherent interfaces seemed to trap H more strongly, preventing more effectively its progression towards the crack tip. In addition, it would seem that finely dispersed reverted austenite spread along the martensite laths was beneficial to reduce HE, since it softened the material as well as it strongly trapped H at the γrev/matrix interfaces. Conversely, retained austenite did not contribute to improve HE resistance, due to its weak mechanical stability and to the fact that the austenite particles were much coarser than reverted austenite, and inhomogeneously distributed in the matrix. Based on the conclusions drawn from the three grades of this study an 'ideal' maraging stainless steel microstructure that is more resistant to HE will be proposed. In particular, the chemical composition of the grade should be adjusted to obtain a high fraction of reverted austenite during tempering, while avoiding excessive coarsening of the precipitates.