L’hydrogène, premier et plus petit élément de la classification est à la source de dommages dans les matériaux, le plus souvent en provoquant des ruptures fragiles. Sa grande diffusivité à l’état atomique et son instabilité en sont la cause. Les procédés de mise en oeuvre et les conditions d’emploi des matériaux doivent donc tenir compte du risque de contamination et de sensibilisation liés à la présence éventuelle d’hydrogène.

Après une première série de conférences sur la fragilisation par l’hydrogène en 2010 et 2016, ayant bénéficiée d’une très bonne audience, l’A3TS propose, à l’initiative de la section Ile de France, de reprendre ce sujet en y consacrant 4 demi-journées abordant successivement : les endommagements des matériaux métalliques causés par l’hydrogène, l’Hydrogène et les Traitements de surface vus à la fois comme problèmes et solutions, les problématiques de l’hydrogène pressurisé, quelles questions poser face à la production, le transport et l’utilisation de l’hydrogène dans les systèmes d’aujourd’hui et de demain.

Les intervenants, spécialistes reconnus du comportement des matériaux en présence d’hydrogène permettront d’actualiser et approfondir les connaissances sur ce sujet et de répondre aux interrogations du public concerné par les relations « produits, environnements, traitements et matériaux.

INSCRIPTION ET INFORMATIONS

TARIFS

Membre A3TS : 290 € HT (348 € TTC)
Non-membre : 345 € HT (414 € TTC)
Expert judiciaire : 150 € HT (180 € TTC)
Conférencier 1 jour : Offert
Conférencier 2 jours / étudiant / retraité : 100 € HT (120 € TTC)
Espace commercial (composé d’une table et de deux chaises) : 500 € HT (600 € TTC)

ACCUEIL & RÉCEPTION

L’accueil et l’enregistrement des participants se feront le mardi 4 octobre 2022 à l’accueil A3TS à partir de 8h30 :
l’ASIEM
6 rue Albert de Lapparent
75007 PARIS

RÈGLEMENT

Les règlements doivent être effectués avant l’évènement par virement bancaire ou par carte directement en ligne ci-dessous.

Une attestation de participation sera adressée dès réception de l’inscription. L’A3TS se réserve le droit de refuser le remboursement des frais de participation pour les demandes d’annulation intervenues après le 25 septembre 2022.

Votre inscription prendra effet à la réception de votre règlement.

les résumés des présentations

• Conférence Introductive : Pourquoi l’hydrogène ? Alain Thorel (SF2M)

  L'hydrogène est un vecteur énergétique qui jouera un rôle majeur dans la transition énergétique, et notamment dans le développement de dispositifs électrochimiques tels que les piles à combustible et les électrolyseurs, qui seront particulièrement importants, par exemple pour la transition des voitures à essence vers les voitures électriques. L'hydrogène est de loin l'élément le plus abondant dans l'univers connu ; néanmoins, dans la quasi-totalité des cas, il n'existe sur Terre qu'associé à d'autres atomes dans des molécules plus ou moins complexes. L’hydrogène n’est donc pas une énergie primaire, et son utilisation nécessitera donc de l'extraire de ces molécules, de le faire interagir avec la matière dans des dispositifs électrochimiques, de le stocker et de le transporter. L'interaction avec la matière nécessitera également un certain niveau de connaissances en science des matériaux. A travers quelques questions qui paraissent évidentes, mais qui sont loin de l'être, sur l'origine de l'hydrogène, son absence sur Terre en tant que molécule, son interaction avec la matière, et comment en extraire des électrons, l'exposé présentera brièvement certains aspects importants de cette nouvelle économie de l'hydrogène et des technologies afférentes.

• Overview des pathologies hydrogène sur matériaux métalliques, méthodes de détection et de caractérisation. Nourrit, Gozdecki, Leguellaut (Groupe Institut de Soudure)

  Cette présentation sera consacrée à la description de deux modes d'endommagement rencontrés dans les équipements sous pression, dont le point commun est qu'ils sont liés à l'introduction d'hydrogène dans le matériau au contact de l'environnement. Il s'agit des phénomènes de fissuration se développant aux températures proches de l’ambiante en milieu H2S humide, où l'hydrogène est introduit via des réactions de corrosion, et de l'attaque des aciers sous pression d'hydrogène à chaud, où l'hydrogène est introduit par dissociation du dihydrogène gazeux.

  Pour chacun de ces modes de dégradation, nous exposerons les secteurs industriels concernés, les phénomènes en jeu, les types et morphologie de défauts rencontrés (HTHA, HIC, SSC…) et les facteurs qui influencent l'apparition des dommages (facteurs liés aux matériaux mis en oeuvre ou à l’environnement).

  Seront ensuite succinctement décrits les examens non destructifs qui permettent de rechercher ces endommagements dans les équipements.

  Compte tenu des caractéristiques de ces endommagements, notamment en termes de faciès et de dimensions, les examens majoritairement déployés pour leur détection et leur caractérisation sont issus de la méthode ultrasons. Il s’agit de la mise en œuvre de techniques qualifiées « d’avancées », telles que les ultrasons multiéléments (avec ou sans formation de faisceaux), et le TOFD (Time Of Flight Diffraction). Leurs paramétrages spécifiques, en fonction du type d’endommagement recherché, donne lieu à la génération d’imageries ultrasonores dont l’exploitation permet de se prononcer sur sa présence, son extension dans le composant contrôlé, et, dans la mesure du possible, sur son niveau de sévérité.

• Les propriétés de l’hydrogène dans les inox, bases nickel et aluminium sur la base de résultats expérimentaux et de la littérature. Flavien Vucko (Institut de la corrosion)

  Le phénomène de fragilisation par l’hydrogène (FPH) des matériaux métalliques est un enjeu industriel majeur dans de nombreux secteurs. En service, les sources d’hydrogène sont multiples, allant de la corrosion à la protection cathodique en passant par le transport et le stockage de l’hydrogène gazeux sous pression. Ainsi, la connaissance des mécanismes d’entrée d’hydrogène et de dégradation pour chaque matériau en fonction des contrainte externes (mécaniques et environnementales) est nécessaire afin de réaliser une sélection des alliages les plus adaptés aux conditions de service et/ou de mettre en place des stratégies pour éviter les risques de rupture prématurée.

  La FPH externe passe à priori par une étape d’entrée d’hydrogène, potentiellement assistée par la contrainte ou la déformation plastique. L’hydrogène peut alors rester en proche surface ou se redistribuer dans la microstructure et les champs de contrainte et de déformation. Il peut alors affecter le comportement mécanique ou en fatigue du matériau et faciliter l’apparition de fissure. La phase de propagation est généralement fortement accélérée pour la plupart des alliages testés sous chargement en hydrogène.

  L’objectif de cette communication est de mettre en évidence les liens et les différences de comportement de l’hydrogène dans quelques classes de matériaux. Ceci passe tout d’abord par des études plus fondamentales de l’hydrogène dans les alliages, en particulier sa diffusivité et sa solubilité, deux facteurs déterminants quant au choix des méthodes de caractérisation des alliages. Ensuite, l’impact de l’hydrogène sur le comportement de différents alliages d’acier inoxydable, de base nickel et d’aluminium est regardé du point de vue des conditions et des quantités d’hydrogène rentrant dans la matière. Ces résultats sont discutés au regard des conditions réelles de chargement en service.

• Spécificités microstructurales et fissuration assistée par l’environnement d’un acier inoxydable martensitique 17-4PH issu de la fusion laser sur lit de poudre. Christine Blanc (Ensiacet)

  Si la fabrication additive correspond à des procédés très plébiscités aujourd’hui, en particulier la fusion laser sur lit de poudre, il n’en demeure pas moins que les microstructures héritées de ces procédés méritent d’être étudiées de près car elles se distinguent, par certains aspects, des microstructures obtenues par des procédés d’élaboration et de mise en forme plus conventionnels. La conséquence immédiate est que l’étude de la durabilité des pièces fabriquées par fusion laser sur lit de poudre réserve aussi son lot de surprises, bonnes ou mauvaises. L’exemple choisi ici est celui de l’acier inoxydable martensitique à durcissement structural 17-4PH. Dans l’état métallurgique H900, il se différencie de l’acier élaboré par métallurgie conventionnelle notamment par une teneur en austénite de réversion sensiblement plus élevée. Cela se traduit par une sensibilité à la fissuration assistée par l’environnement (FAE) différente de celle de l’acier conventionnel, et qui, selon les conditions de tests, peut être mise en lien avec des différences en terme d’interactions avec l’hydrogène (solubilité, diffusion, interaction hydrogène / dislocations) et/ou de sensibilité à la corrosion localisée (passivation et corrosion par piqûres).

• Relation entre l’état métallurgique et la fragilisation par l’hydrogène : approches appliquées aux aciers martensitiques et inoxydables austénitiques, ainsi qu’aux alliages base nickel. Abdelali Oudriss, Xavier Feaugas (LaSie)

  Dans l’objectif d’apporter des éléments de compréhension au phénomène de fragilisation par l’hydrogène, nous tentons depuis plusieurs années et dans le cadre de nombreuses études d’évaluer l’impact des différentes hétérogénéités métallurgiques (joints de grains, dislocations, précipités, lacunes…) sur les processus de diffusion et de piégeage de l’hydrogène. Cette démarche permet de questionner l’implication des interactions entre ces hétérogénéités et l’hydrogène sur les comportements mécaniques, et plus particulièrement sur les mécanismes d’endommagement assistés par l’hydrogène. Ces travaux ont été conduits sur différents matériaux modèles et industriels comme le nickel et ses alliages, aciers inoxydables et aciers martensitiques à l’aide d’approches expérimentales (perméation, TDS, GD-OES, SKPFM…) avec et sans couplages mécaniques, associées à des approches numériques multi-échelle (calculs atomistiques, éléments finis…). Parmi les principaux résultats obtenus, et selon les matériaux, nous avons identifié un rôle majeur de la mobilité de l’hydrogène et du piégeage réversible sur la plasticité (durcissement et adoucissement) et sur les mécanismes d’endommagement, d’amorçage et de propagation de fissure sous hydrogène. D’autre part nous avons également mis en évidence l’implication des interactions hydrogène-lacunes dans la modification des propriétés d’élasticités. Enfin nous avons obtenus des éléments de réponses quant au rôle de la nature des joints de grains dans la diffusion et le piégeage de l’hydrogène d’une part et sur les mécanismes de rupture sous hydrogène d’autre part.

• Influence de l’hydrogène sur le comportement tribologique des matériaux et moyens d’essais associés. Paule Njiwa, Yan-Ming Chen, Pierre-François Cardey (CETIM)

  Les énergies vertes ou renouvelables apparaissent comme des alternatives pour pallier au changement climatique lié à l’utilisation massive des énergies fossiles telles que le pétrole. C’est dans ce contexte que l’hydrogène dite propre suscite actuellement un grand intérêt. La maitrise technologique et économique de cette nouvelle filière hydrogène (production, conditionnement -compression, stockage, transport et utilisation), en tant que vecteur énergétique, peut contribuer de manière durable à la transition énergétique des prochaines décennies.

  La mécanique est un fournisseur incontournable de cette chaine de valeur car elle intervient à tous les niveaux. Il est connu que l’hydrogène à haute pression peut avoir un impact important sur les matériaux et les équipements. La compréhension et la maîtrise de son influence sur le comportement de ces nouveaux systèmes contribuera au positionnement stratégique des industries impliquées. Le projet HyMEET (Hydrogen Material and Equipment Engineering and Testing Center), piloté par le CETIM, vise à aider les industriels du secteur à relever ce défi en se dotant de moyens d’essais destinés à tester et valider des matériaux sous forte pression en hydrogène. Ces nouveaux systèmes mécaniques intègrent des problématiques tribologiques qui provoquent un grand intérêt car déterminants dans le choix des matériaux.

  L’acquisition du tribomètre Plint TE-60, capable de fonctionner sous hydrogène gazeux, permettra non seulement de reproduire les conditions cinématiques et tribologiques de certaines applications (injecteurs, compresseurs d’hydrogène, vannes, tuyaux, joints toriques…) mais également de tester les interactions des matériaux sous cet environnement. Ce tribomètre, classé Atex, sera doté d’un système qui permettra de contrôler la pression, la température de la chambre et l’environnement dans lequel les essais seront réalisés. Le tribomètre alternatif à trois stations montées dans une chambre sous haute pression (max. 80 bars) d’un litre de volume, est capable de fonctionner simultanément sous les configurations bille/plan et plan/plan. Les essais peuvent être réalisés avec des températures allant de -55°C à 150°C. La charge maximale, la fréquence maximale et le déplacement maximal sont respectivement de 50 N, 5 Hz et de 20 mm. Le dispositif permet de suivre en temps réel l’évolution du coefficient de frottement.

• Impact de l’hydrogène sur les propriétés d’emploi d’un acier de pipeline non prévu pour le service H2. Christophe Mendibide (Institut de la corrosion)

  Avec le déclin des énergies fossiles et la nécessité de développer des énergies vertes pour sauver le climat, l'hydrogène apparaît comme l'une des sources d'énergie les plus prometteuses dans un futur proche. Le développement de l'énergie H2 nécessitera cependant la construction d'une filière industrielle complète, comprenant des usines de production, principalement à travers le développement de piles à combustible efficaces ou de procédés de craquage, le transport et le stockage, la production de véhicules sûrs et le développement de réseaux de stations de ravitaillement en H2 dans les différents pays européens

  Du point de vue de la qualification des matériaux, plusieurs questions se posent étant donné que l'hydrogène peut être absorbé par des matériaux métalliques avec des risques bien connus de fragilisation et de défaillance prématurée si les conditions de service ne sont pas maîtrisées.

  Dans une première approche d'évaluation des risques de défaillance des matériaux de pipeline, un acier soudé X65 identifié comme possiblement sensible à la fissuration assistée par l'hydrogène a été testé sous 100 bar d'hydrogène à travers une variété de techniques expérimentales (traction lente, ténacité, fissuration interne, perméabilité, analyses par thermodesorption…). L’effet de conditions opératoires dégradées a aussi été évalué (contamination par H2S, présence d’humidité…)

  La communication présente une synthèse des résultats. Il sera également fait un point spécifique sur les conditions d’évaluation de la ténacité et les incohérences qui peuvent exister dans certaines normes utilisées pour qualifier les matériaux pour service hydrogène.

• Analyse critique des moyens de mesure et de caractérisation de l’hydrogène dans les matériaux métalliques. Xavier Feaugas, Abdelali Oudriss (LaSie)

  L’étude expérimentale de la fragilisation par l’hydrogène (FPH) nécessite la mobilisation de nombreuses techniques expérimentales telles que la perméation électrochimique avec et sans contrainte, la spectroscopie de désorption thermique (TDS), la GD-OES, le SKPFM, essais mécaniques et nano-indentation (monotones ou cycliques) sous hydrogène.... Ces techniques, qualitatives semi ou quantitatives ont pour objectifs d’évaluer les processus de diffusion et de piégeage de l’hydrogène, de caractériser les états de l’hydrogène et de questionner l’impact du soluté sur les propriétés mécaniques. Cependant, plusieurs de ces approches nécessitent la mise en place de protocoles expérimentaux très minutieux et complexes, de plus, les résultats obtenus peuvent être analysés à l’aide de modèles théoriques ou méthodes de simulations (ex : éléments finis) avec des conditions aux limites dont la validité peut être questionnable vis-à-vis des conditions d’essai, la nature du matériau, et même de l’évolution des états de l’hydrogène et ses interactions avec les défauts métallurgiques. L’objectif de ce travail est de proposer une analyse critique en indiquant les avantages et les limitations des principales techniques expérimentales qui sont utilisées pour caractériser et mesurer l’hydrogène dans les matériaux métalliques. Cette démarche sera l’occasion de donner un certain nombre de recommandations.

• Nouveaux revêtements barrières à l’hydrogène par PVD ou PaCVD. Akram Alhussein (Université de Technilogie de Troyes - UTT), Issam Lakdhar (Université de Technologie de Troyes - UTT), Juan Creus (LaSIE)

  L'interaction entre l'hydrogène et les différents matériaux métalliques a été rapportée et discutée dans la littérature. Il a été constaté que l'hydrogène affecte d’une manière significative les propriétés mécaniques. Ce petit élément chimique pénètre entre les sites cristallins de la structure métallique et réduit sa ductilité et sa durée de vie [1].

  Les revêtements présentent une excellente solution pour protéger un tel matériau et lui donner des propriétés multifonctionnelles. Les revêtements sont largement considérés comme une bonne solution pour concevoir des barrières à hydrogène afin de piéger l'hydrogène adsorbé et d'éviter sa diffusion vers le substrat.

  L'objectif de notre travail est le développement de nouvelles générations de revêtements barrières à l'hydrogène pour protéger les composants métalliques utilisés sous hydrogène. Après trois ans de travail sur ce projet de recherche, nous avons développé avec succès un nouveau film mince d'AlTiW déposé par la technique de pulvérisation cathodique magnétron [2].

  Les propriétés fonctionnelles du revêtement telles que la résistance à la corrosion et la stabilité thermique ainsi que ses performances de protection pour les aciers dans un environnement d'hydrogène ont été étudiées. L'influence de la teneur en tungstène sur la microstructure, la stabilité thermique, les propriétés mécaniques, la résistance à la corrosion et l'inhibition de la perméation d'hydrogène dans le revêtement a été analysée. Des analyses DRX, DSC et MET ont été réalisées pour vérifier l'état amorphe du revêtement et pour déterminer les températures de transition vitreuse et de cristallisation.

  Deux méthodes de chargement chimique et électrochimique ont été utilisées pour exposer les aciers revêtus à l'hydrogène. L'incorporation de tungstène dans les revêtements binaires AlTi a fortement amélioré leur résistance à l'absorption d'hydrogène. Les résultats obtenus confirment que l'ajout de W a permis d’améliorer les propriétés mécaniques du revêtement (dureté et module d'Young) et le revêtement Al45Ti38W17 a présenté le meilleur comportement barrière à l'hydrogène.

  Actuellement, nous travaillons sur l'amélioration de l'efficacité des revêtements et le développement d'autres couches minces nanostructurées pour l’utilisation dans différentes conditions et applications réelles.

  Mots clés : Revêtements barrières, Couches minces, Pulvérisation cathodique magnétron, Fragilisation par l'hydrogène, Propriétés électrochimiques et mécaniques.

  Remerciements : Fond Européen de Développement Régional (FEDER) et le Groupement d'Intérêt Public (GIP52).

  Références :

  [1] A. Alhussein, J. Capelle, J. Gilgert, S. Dominiak, Z. Azari, Influence of Sandblasting and Hydrogen on Tensile and Fatigue Properties of Pipeline API 5L X52 Steel, Int J Hydrogen Energy 36 (2011) 2291.

  [2] I. Lakdhar, A. Alhussein, J. Capelle, J. Creus, Al-Ti-W alloys deposited by magnetron sputtering: Effective barrier to prevent steel hydrogen embrittlement, Applied Surface Science 567 (2021) 150786.

• Barrière physique projetée par cold spray pour la protection des acier à la fragilisation par hydrogène. F. Delloro, M. Tebib, Y. Madi, M. Bertin (Mines Paris - PSL, GRTgaz)

  L'hydrogène se dessine comme un des principaux vecteurs énergétiques. Une des solutions envisagées pour le transport sur longue distance est de le faire circulé dilué dans le gaz de ville, dans le réseau existant. Le principal problème qui pose cette solution est l'effet fragilisant de l'hydrogène sur les aciers des tubulures. L'approche proposée dans cette étude consiste dans l'application d'une barrière physique par le procédé cold spray, qui a la fonction d’empêcher, ou au moins limiter, la pénétration de l'hydrogène dans les aciers et éviter ainsi leur fragilisation.

• Le risque de corrosion sous contrainte assistée par l’hydrogène dans le domaine de la précontrainte. Laurent Gaillet (Université Gustave Eiffel)

  Les câbles de précontrainte sont des éléments cruciaux des structures en béton précontraint. Ils présentent une certaine vulnérabilité vis-à-vis de la corrosion, en particulier la corrosion sous contrainte car ils sont mis sous tension jusqu’à 80% de leur résistance maximale à la rupture. Cette corrosion sous contrainte peut aboutir dans certains cas à des ruptures de fils ou de torons entiers, mettant alors en danger la structure ainsi que les usagers. Il importe alors de connaître les mécanismes d’endommagement propres à ces éléments afin de prévoir leur cinétique de dégradation et de mettre en place des mesures préventives, voire curatives. La galvanisation, la protection cathodique de ces câbles sont des moyens de limiter leur vulnérabilité face à la corrosion même si certaines précautions doivent être appliquées pour ne pas obtenir l’effet contraire. Une autre solution novatrice en précontrainte est l’utilisation de l’acier inoxydable.

• Influence various parameters on hydrogen embrittlement of electroplated zinc and zinc-alloy coatings_final. Dr. Sebastian Hahn (Atotech)

  To improve corrosion protection of steel, sacrificial coatings of electroplated zinc or zinc alloys can be applied. An integral part of a typical electroplating sequence is a pre-treatment step. During both electroplating and pre-treatment, developed atomic hydrogen is able to diffuse into the crystal lattice of a base material, what leads to unwanted hydrogen-induced embrittlement of coated parts. Especially, when high strength steel is used as a base material, a risk of reaching a critical hydrogen concentration is relatively high.

  In order to minimize the risk of damage caused by hydrogen embrittlement, all critical process steps need to be carefully monitored. Here crucial are: the choice of a proper inhibitor for the pickling as well as selection of a suitable electrolyte together with optimal application parameters and an appropriate de-embrittlement sequence.

  There are several methods to analyze the risk of hydrogen embrittlement in the electroplating process. The goal of this study was to apply a C-Ring technique, described in the DIN 50969 Part 2 standard, to identify factors having a major influence on hydrogen embrittlement in zinc and zinc alloy electroplating. Furthermore, suitable prevention strategies have been discussed.

• Concept d’H-partitioning sur des pièces zinguées avant et après dégazage. Alexandre FLEURENTIN (Metallo Corner)

  Souvent lorsqu’une vis zinguée se rompt en faisant apparaitre un faciès intergranulaire contenant des « cavités sphériques », on a vite tendance à conclure à un problème de fragilisation par l’hydrogène (FPH) et à rechercher la teneur limite que peut emmagasiner cette pièce revêtue avant de se fragiliser…

  Cette interrogation est le premier signe d’une méconnaissance du phénomène associé à la rupture brutale catastrophique qui nous intéresse. En effet, la quantification de la teneur totale en hydrogène à l’aide d’un spectromètre à désorption thermique (TDS) ne permet en aucun cas d’apporter une information pertinente pour trancher sur l’origine du litige.

  Pour avoir une meilleure idée de ce qui peut entrainer une rupture par FPH, il va être intéressant de se poser d’autres questions que nous nous proposons de développer au cours de cette présentation :

  • Les traitements thermiques sous atmosphère induisent ils de la FPH ?

  • Pourquoi le traitement de « dégazage » permet-il de rendre moins fragile la pièce revêtue ?

  • Le terme « dégazage est-il vraiment approprié ?

  L’ensemble de ces questions nous permettront d’introduire les concepts associés à la répartition de l’hydrogène et de l’évolution de cette répartition au cours des différentes étapes de la gamme de fabrication et de l’utilisation du produit revêtu.

  Cette approche associée à l’impact de l’hydrogène sur les pièces revêtues par voie électrolytique peut être étendue à l’ensemble des difficultés que peuvent rencontrer des aciers travaillant sous hydrogène : corrosion sous contrainte, travail en milieu H2S, fragilisation à froid en soudage, phénomènes de corrosion (piqures, ..), difficulté liée à une protection galvanique, travail en environnement hydrogéné sous pression (fatigue, fluage), …

• Understanding hydrogen embrittlement (HE) susceptibility and mechanisms in high strength martensitic steels based on a fast fracture approach. Salim Brahimi (IBECA)

  The ingress of hydrogen into structural alloys, including high-strength steels, superalloys, and aluminum alloys causes premature and catastrophic failures, threatening their reliability and durability. For instance, high strength steels known for their crucial applications in aerospace and fastener industries as landing gears and high strength structural bolts, anchor rods etc. can suffer from premature failures due to hydrogen embrittlement (HE). However, understanding the hydrogen induced failure mechanism(s) is challenging because of the complex microstructure of these materials. However, understanding the hydrogen induced failure mechanism(s) of these materials is challenging, because their complex microstructure can significantly interfere with fracture and hydrogen diffusion process. The conventional test methodologies available to evaluate HE susceptibility are either significantly time consuming, or involve cost and complexities for set up. Therefore, a rapid fracture test in four-point bending is proposed to assess hydrogen embrittlement (HE) susceptibility of these materials. The novelty of this technique is the rapid rate of loading, whereas conventional approaches require prolonged slow strain rate testing. The essential fractographic features required to identify the mechanisms of HE failure remain evident, despite the fast loading conditions. To demonstrate these attributes, two cases were considered: (a) two quenched and tempered (Q & T) steels with similar strength levels having different steel chemistry, and (b) two Q & T steels with different strength levels having same steel chemistry, were tested with and without pre-charging of hydrogen (H). The test results show striking differences in HE susceptibility among the materials in both the cases. Microstructural characterization and assessment were performed primarily based on Transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM). Stress coupled hydrogen diffusion finite element analysis was also performed to calculate both stress and hydrogen concentration distributions. The study indicates that local plasticity and microstructure can have significant influences on hydrogen induced cracking, as compared to the global microstructure affecting hydrogen transport kinetics. The study also shows that the current approach is capable of quantifying HE susceptibility by being responsive to key factors affecting embrittlement, thus developing further understanding on the HE of martensitic steels.

• Sensibilité à l’hydrogène d’un procédé électrolytique Zn-Fe à haute teneur en fer. Romain le Barbenchon (IRT M2P)

  Les alliages de Zn-Fe suscitent un intérêt particulier ces dernières années dans le domaine de la protection contre la corrosion en raison de l’évolution des normes environnementales qui impactent certains sels métalliques [1-3]. D’après la littérature, l’augmentation de la teneur en fer dans le dépôt de zinc allié s’accompagne d’une diminution du rendement faradique en favorisant la réaction d’évolution de l’hydrogène (REH) [4]. Pour certaines applications, il est nécessaire de pouvoir évaluer l’impact de la réaction d’évolution de l’absorption de l’hydrogène sur les propriétés des aciers revêtus.

  Le procédé Performa 226, breveté par la société Coventya et l’institut Utinam, permet de produite des revêtements Zn-Fe dont le comportement contre la corrosion est similaire à celui des références industrielles actuelles. Dans le cadre du projet ATLAS, piloté par l’IRT M2P, des travaux portant sur la compréhension, la maitrîse et l’optimisation du procédé global ont été réalisés dans l’optique de pouvoir répondre aux cahiers des charges des partenaires industriels du projet. A ce titre, une étude sur la fragilisation par l’hydrogène lors de l’électrodéposition d’un dépôt Zn-Fe comprenant 8 à 9% de fer a été menée.

  Cette étude menée à l’échelle laboratoire, puis industrielle a permis de mettre en évidence l’influence d’une préparation de surface et d’un dégazage sur les propriétés mécaniques d’un acier revêtu de Zn-Fe 8-9%. Dans cette étude, le dosage quantitatif des éléments légers incoporés dans le dépôt électrolytique, notamment l’hydrogène, a été réalisé par extraction à chaud puis l’impact sur les propriétés mécaniques des aciers revêtus par deux différentes méthodes a été évalué. Ainsi, des essais de traction lente ont été comparés aux essais de fragilisation suivant la norme ASTM F519, tous effectués sur éprouvettes entaillées en acier AISI 4340 [5-6]. Les résultats obtenus par les deux méthodes seront présentés et discutés en regard des faciès de rupture observés et des teneurs en hydrogène mesurées.

  [1]. S. Amirat, R. Rehamnia, M. Bordes et J. Creus, 2013, Materials and Corrosion, 64, 328-334.

  [2]. J. He, D. W. Li, F. He, Y. Liu, Y. Liu, C. Zhang, F. Ren, Y. Ye, X. Deng et D. Yin, 2020, Materials Science and Engineering, C117, 111295.

  [3]. D. Rashmi, G. P. Pavithra, B. M. Praveen, D. Devapal, K.O. Nayana et S. P. Hebbar, 2020, Jounal of Bio- and Tribo-Corrosion, 6, 84-92.

  [4]. H. Nakano, S. Arakawa, S. Oue et S. Kobayashi, 2015, Materials Transition, 56, 1664-1669.

  [5]. J. Bellemare, S. Laliberté-Riverin, D. Ménard, M. Brochu et F. Sirois, 2020, Metallurgical and Materials Transactions A, 51, 3054-3065.

  [6]. T. Das, S. V. Brahimi, J. Song et S. Yue, 2021, Corrosion Science, 190, 109701.

• Evaluation des propriétés matériaux sous pression de H2 par des essais cycliques et quasi-statiques. Daniel Maisonnette, Daniella Guedes (CETIM)

  Le développement de la filière hydrogène s’inscrit dans le cadre de la décarbonation et des objectifs fixés par les états à court et moyen termes en tant qu’alternative aux énergies fossiles.

  L’utilisation étendue à de multiples applications de cette molécule entraine de nouvelles problématiques de choix matériaux du fait de sa taille, son caractère explosif et sa diffusivité. Cette dernière est en effet, une des caractéristiques prépondérantes de l'hydrogène, qui le distingue des autres fluides vis-à-vis des causes d’endommagement. Bien que la diffusivité de l'hydrogène varie considérablement en fonction des matériaux et de la température, elle est néanmoins toujours supérieure de plusieurs ordres de grandeur aux diffusivités des autres espèces. Par conséquent, l'occurrence généralisée des dommages causés par l'hydrogène est directement liée à la facilité d'absorption de l'hydrogène dans les métaux et à la grande mobilité de l'hydrogène dans ceux-ci.

  Tous les matériaux métalliques présentent un certain degré de sensibilité à l’hydrogène qui va dépendre de sa composition chimique, microstructure, traitement thermique, résistance mécanique, etc. Ainsi, des connaissances multidisciplinaires des phénomènes couplés sont nécessaires pour bien appréhender le phénomène de fragilisation par l’hydrogène (FPH). La définition des caractéristiques moyennes représentatives du matériau (taille de grain, joints de grains, précipités, densité de dislocation…), ainsi que des différents états de l’hydrogène (hydrogène piégé et diffusible) sont primordiaux lors de l’évaluation de la FPH. D’autres paramètres tels que l’état de contrainte et déformation de la pièce dans l’environnement hydrogéné sont également essentiels.

  Nous examinerons le problème de la dégradation des métaux exposés à l'hydrogène gazeux à travers des essais de fatigue, de traction lente (SSRT) et de mécanique de la rupture (K1C, K1H). Ces tests font partie des essais mécaniques utilisés pour la qualification des matériaux en milieu hydrogène à haute pression. Des aspects fondamentaux de la FPH telles que la façon dont l’hydrogène affecte la résistance à la fissuration, la ductilité et d’autres propriétés mécaniques seront mises en évidence. En outre, ces essais seront décrits et les facteurs pouvant influencer les résultats tels que la température, la pureté du gaz et la vitesse de sollicitation feront l’objet d’une attention particulière.

• Moyens dédiés à l’étude de la compatibilité des métaux avec l’hydrogène gazeux (Plateforme HYCOMAT). G. Benoit, D. Bertheau, G. Hénaff (ENSMA)

  Ces dernières années, la nécessité de réduction d’émissions de gaz à effet de serre a engendré un intérêt accru envers l'utilisation de l'hydrogène comme vecteur énergétique. Dans le développement d’une économie « hydrogène », il importe de garantir l’intégrité structurale de nombreux composants de transport et de stockage, ce qui soulève la question de la compatibilité des alliages exposés à des pressions élevées d’hydrogène gazeux. Cette question est particulièrement prégnante dès lors que l’on doit considérer la présence de défauts de type fissure au sein du composant structural. C’est précisément de façon à fournir des éléments de réponse à ce type de questionnement que la plateforme HYCOMAT a été conçue à partir de 2005 et progressivement déployée à compter de 2008 à l’institut Pprime. Elle se compose aujourd’hui de 2 bancs d’essais mécaniques sous pressions de gaz avec des caractéristiques différentes, d’une cellule de perméation et d’une cellule de vieillissement sous pression alimentés par un réseau de gaz sous pression. Cet ensemble permet de réaliser une large gamme d’essais mécaniques sous sollicitation statique, monotone ou cyclique dans une large gamme de pression et de température, avec ou sans pré-exposition etc.

  L’objectif de cet exposé est de présenter ces équipements et la métrologie associée, et d’illustrer les capacités à l’aide de résultats concernant principalement le comportement en fissuration par fatigue sous haute pression d’hydrogène de matériaux de type ferritique.

• Caractérisation mécanique pour le suivi en service des structures dédiées au transport d’hydrogène. Y. Madi, J. Besson (Mines Paris - PSL)

  This study is part of the French-ANR industrial chair Messiah (Mini-tests for In-Service Monitoring of Structures with Application to Hydrogen Transport). The design of structures requires an understanding of the crack propagation properties of the materials used. To do this, standardised mechanical tests on cracked specimens are mainly used. To be considered valid, these tests must be performed on specimens that are large enough in relation to the size of the fracture development zone. These dimensions are of the order of a few centimetres, but they are more larger as the material is more tough. However, the use of sub-size specimens is unavoidable in several cases: (i) specimens extracted from in-service srtucture in order to have in-service behaviour or during their reception, (ii) during the development of new materials in limited quantities, (iii) when the structure does not allow specimens to be extracted according to the recommendations of the standards (e.g. thin structure). In all these cases, it is difficult or impossible to perform “valid” tests according to the standards. One approach to solve this problem would be to establish procedures for accessing macroscopic properties from sub-size specimens. This study is carried out on a gas linepipe steel (Vintage API grade X52). Firstly, a test campaign is carried out on usual size CT specimens according to the ASTM E1820 standard. The same process is repeated for sub-size CT (mDCT) specimens. The sub-size specimens does not allow to measure the crack opening (CMOD) at the position recommended by the standard. It is then necessary to modify this procedure using FEM analysis in order to access to J-Δa crack propagation curve. The use of sub-size specimens allows to show a strong anisotropy on fracture. Very reproducible results are obtained. A strong size effect is also shown: the J-Δa crack curves on sub-size specimens are systematically located below those of standard CTs specimens.

• Résistance à la fissuration de soudures de tuyauterie exposées à un mélange d’hydrogène et de gaz naturel sous haute pression. G. Benoit, D. Bertheau, L. Alvarez, G. Hénaff (ENSMA)

  Le Gaz Naturel (GN) est un carburant à même d’accompagner la transition des combustibles fossiles à fortes émissions vers les énergies renouvelables, notamment en palliant à l’intermittence des énergies renouvelables. L'infrastructure gazière devra gérer une gamme de gaz plus verts tels que le biométhane et l'hydrogène vert. Dans un premier temps, un mélange GN + H2 sera transporté dans le réseau existant, puis dans un second temps, lorsque l'économie de l'hydrogène sera plus mature, des pipelines dédiés au transport de l'hydrogène pur devront être réalisés.

  L'option d'utiliser le réseau de gaz naturel existant pose toutefois la question de la quantité d'hydrogène gazeux pouvant être mélangée au gaz naturel tout en garantissant des conditions de fonctionnement sûres de la conduite, notamment en présence de défauts de type fissure. À cet égard, la présente étude a été entreprise afin d'obtenir une première évaluation de l'impact de la teneur en hydrogène gazeux dans le gaz naturel sur la résistance à la propagation des fissures des soudures circulaires des pipelines. Dans ce but, des essais de ténacité et de propagation de fissures par fatigue ont été réalisés à température ambiante sur une machine servo-hydraulique équipée d'un autoclave permettant la conduite d’essais sous hydrogène, gaz naturel et mélange. Les éprouvettes CT utilisés dans ces essais ont été prélevées au sein de différentes soudures circulaires représentatives de celles présentes dans le réseau (respectivement de tuyaux de diamètre 350 et 900 mm et de 7 et 13 mm d'épaisseur) de sorte que le plan de fissure se situe dans le joint. Deux couples d'acier et de procédé de soudage ont été étudiés, à savoir un tube moderne en acier L485 (X70) soudé par procédé de soudage mécanisé (GMAW) et un tube vintage (X60) en acier au carbone avec un procédé manuel d'électrode cellulosique (SMAW). Deux conditions environnementales ont été considérées jusqu'à présent, à savoir un NG représentatif comprenant 9 espèces mineures et un mélange 25%H-NG avec une pression totale de 8,5 MPa. Les résultats de ténacité à la rupture pour les deux types de soudures n'indiquent aucun effet significatif de l'hydrogène sur les valeurs K, tandis que l'ouverture plastique et les valeurs CTOD sont affectées à des degrés différents. En outre, les taux de croissance des fissures de fatigue sont améliorés de plus d'un ordre de grandeur dans le mélange 25 % H-NG dans la région de ΔK élevé par rapport au NG. Des analyses complémentaires, notamment à base d’observations microfractographiques, sont présentées pour interpréter ces résultats.

• Les matériaux pour la filière hydrogène-énergie développés au Centre PERSEE de MINES Paris : enjeux et perspectives. Christian Beauger (Centre Persee Mines Paris - PSL)

  L’hydrogène pourrait bien devenir un acteur majeur de la transition énergétique et au-delà, du futur paysage énergétique mondial. Ses propriétés, ses usages et les procédés de production associés, très variés, contribuent à l’adaptabilité de ce vecteur énergétique à un grand nombre de situations, que ce soit pour la mobilité, l’habitat ou encore la gestion des énergies renouvelables. Des avancées très significatives ont été réalisées ces dernières années rendant en outre crédible le déploiement à grande échelle de la filière pour le stockage, la distribution ou la production d’énergie. Un certain nombre de défis restent néanmoins à relever qui concernent notamment les performances énergétiques (efficacité de conversion et durabilité) et les coûts. Les chercheurs du Centre PERSEE travaillent depuis une trentaine d’années à l’amélioration des procédés en question, suivant une double approche, système et matériaux. Quelques-uns des matériaux développés au Centre, catalyseurs et membranes, pour les piles à combustible, l’électrolyse ou la photocatalyse seront présentés et avec eux la démarche suivie pour répondre aux attentes et tenter d’atteindre les objectifs fixés par la communauté scientifique.

• Transport de l’hydrogène par pipeline. Jader Furtado (Air liquide)

  L’hydrogène est utilisé largement par les industries de base, comme l’industrie d’acier et par des filières pétrochimiques. Plus récemment, l’hydrogène a été identifié comme un vecteur énergétique clé pour remplacer les énergies fossiles dérivés du pétrole, du gaz naturel et du charbon très utilisées par ces segments industriels et pour la mobilité. Dans ce contexte de transition énergétique et avec l’objectif de réduire les effets du réchauffement climatique par des gaz à effet de serre, la filière de l’hydrogène a un rôle majeur sur toute sa chaîne de valeur (depuis la production, incluant l’utilisation des énergies renouvelables, le transport, le stockage jusqu’aux applications). Un des moyens de transport de l’hydrogène sous pression vers les usages finaux (industrie ou stations pour la mobilité) sont des pipelines en acier, ayant des propriétés mécaniques spécifiques et encadrées par des codes comme les normes EIGA IGC Doc 121/14 et ASME B.31-12. Ces codes permettent de contrôler ou d’éviter la fragilisation de l’acier par l’hydrogène, en limitant la résistance mécanique des aciers et en définissant des pressions adéquates. Cet article a pour objet de décrire les spécifications des nuances d’aciers généralement utilisées, les propriétés mécaniques requises pour le transport de l’hydrogène sous pression, les modes d’endommagement par rupture statique, fatigue et corrosion assistée par l’hydrogène, les techniques d’inspection non-destructives applicables à l’inspection des pipelines et essaie de répondre à la question de la réutilisation des réseaux de pipelines de gaz naturel pour un service hydrogène.

• L’hydrogène dans le traitement thermique - Utilisation et sécurité. Lucas BUSTAMANTE-VALENCIA (Air liquide)

  L’hydrogène peut-être présent à plusieurs étapes du traitement thermique : cémentation, nitruration, carbonitruration, nitrocarburation, recruit avec atmosphère protectrice, trempe, hyper trempe… Il semble vraisemblable qu’il puisse être introduit au sein de la structure métallographique pendant l’une ou plusieurs de ces phases. Ainsi, des phénomènes de dégradation de la qualité des matériaux par l’hydrogène sont connus : fragilisation, fissurations, attaque par l’hydrogène… Malgré ces phénomènes dommageables de l’hydrogène pour les matières, cette molécule présente un grand nombre de caractéristiques avantageuses pour le succès des traitements thermiques. Dans ce papier, nous :

  • évoquons les mécanismes par lesquels l’hydrogène peut être présent dans une enceinte de traitement thermique

  • listons les propriétés de l’hydrogène qui s’avèrent utiles pour les procédés thermo-chimiques

  • rappelons les règles de sécurité et bonnes pratiques pour son utilisation en sécurité.

  Chaque gaz utilisé au cours d’un traitement thermique a une forte influence sur les paramètres procès. Outres ces derniers, dans le cas de l’hydrogène, la stratégie de sécurité occupe un rôle central. Dans ce travail, nous relevons les vérifications à effectuer pour garantir la conformité avec la norme NF EN 746-3 A1.