Etude des mécanismes d'endommagement d'aciers martensitiques associés au SSC (Sulphide Stress Cracking)

Study of damage mechanisms in martensitic steels associated with SSC (Sulphide Stress Cracking)

• Auteur / Autrice : Daniella Guedes Sales
• Direction : Xavier Feaugas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance le 14/12/2015
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Bernard Vogt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Feaugas, Jean-Bernard Vogt, Christine Blanc, Vincent Vignal, Isabelle Aubert, Jamaa Bouhattate, Juan Creus, Frantz Martin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Blanc, Vincent Vignal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Acier martensitique

Métaux -- Fragilisation par l'hydrogène

Mots clés libres

Fragilisation par l’hydrogène

Perméation

Endommagement

H2S

Acier martensitique

Hydrogen embrittlement

Electrochemical permeation

Damage

H2S

Martensitic steels

Résumé

Dans le cadre de ces travaux, il a clairement été établi que l’hydrogène piégé ou diffusible pouvait avoir une forte influence sur les propriétés mécaniques des matériaux. Cependant, cet effet varie de façon importante en fonction de leur microstructure, leur composition chimique et leur traitement thermique. En effet, les aciers martensitiques trempés/revenus dédiés à des tubes pour des milieux sous-service présentent, de par leur structure, différents types de pièges tels que les dislocations, les joints de grains, les précipités, les inclusions, les lacunes et d’autres interfaces qui jouent un rôle important dans les mécanismes endommageants. Ces aciers de haute résistance mécanique, lorsqu’ils sont soumis à des contraintes mécaniques et à un environnement agressif (qui dépend de la pression en H2S et du pH de la solution) peuvent rompre à cause du phénomène de Sulphide Stress Cracking (SSC). Ce dernier est une forme de fragilisation par l’hydrogène (FPH) qui inclut un amorçage de fissure suivi d’une étape de propagation conduisant à la rupture, dont la contribution de l’hydrogène reste encore mal comprise. En parallèle de l’impact de la microstructure de l’acier, les champs de contrainte et déformation subis par le matériau modifient les effets induits par l’hydrogène. C’est pourquoi un montage de perméation sous contrainte a été utilisé afin de pouvoir réaliser des essais mécaniques jusqu’à rupture sous flux d’hydrogène et les comparer au comportement du matériau lorsque celui-ci est sollicité à l’air ou dans un environnement H2S. Ainsi, l’impact sur le comportement mécanique du flux d’hydrogène mais également de son piégeage peut être étudié. Dans ce cadre, des éprouvettes plates et axisymétriques, lisses et entaillées ont été employées. Les informations expérimentales obtenues dans ce travail ont servi à alimenter un modèle numérique qui a permis de caractériser localement l’état mécanique et les concentrations d’hydrogène piégé et diffusible dans le matériau. Ceci a rendu possible la définition d’un critère local de rupture.

The findings of this work established that the diffusible and trapped hydrogen could have a strong influence on the mechanical properties of materials. However, this effect varies significantly with the materials’ microstructure, chemical composition, and heat treatment. Due to their structure, quenched and tempered martensitic steels (developed for tubes suitable for sour service environments) have different types of traps such as dislocations, grain boundaries, precipitates, inclusions, vacancies and other interfaces that play an important role in the damage mechanisms. These high strength steels may break due to Sulphide Stress Cracking (SSC) if subjected to mechanical stress and an aggressive environment (which depends on the H2S partial pressure and pH solution). This phenomenon is a form of hydrogen embrittlement (HE) that includes a crack initiation followed by a propagation step leading to failure. However the hydrogen contribution is still insufficiently understood. In addition to the impact of the microstructure on the steel, the stress and the deformation fields in the material also modify the effects induced by hydrogen. To investigate this event, electrochemical permeation tests under stress were used to perform mechanical tests under hydrogen flux until failure is reached. The results were compared to those mechanically loaded in air or in a H2S environment. This enabled the examination of the impact of the hydrogen flux and trapping on the mechanical behavior of martensitic steel. In this framework, flat and axisymmetric, smooth and notched specimens were employed. Experimental data obtained in this work were used to provide a numerical model that enables the locally characterization of the mechanical condition and the concentrations of trapped and diffusible hydrogen in the material. These outcomes enabled us to determine a local failure criterion.