Sélection et durée de vie des alliages métalliques pour des sollicitations thermomécaniques normales ou sévères sous hydrogène gazeux

Selection and life of metallic alloys for usual or severe thermomechanical solicitations under gaseous hydrogen

ISMEP-LISMMA, 3 rue Fernand Hainaut, 93407 Saint-Ouen, France

Auteur de correspondance : jouinot@supmeca.fr

Reçu : 23 Mars 2007
Accepté : 29 Août 2008

Résumé

Depuis plus de 30 ans, le Commissariat à l'Énergie Atomique (CEA) a mis au point et systématiquement utilisé l'essai de disques pour étudier et mesurer la sensibilité à l'hydrogène gazeux des matériaux. En 1990, cette technique expérimentale est devenue une norme AFNOR pour sélectionner les alliages métalliques destinés à réaliser des bouteilles et réservoirs d'hydrogène sous haute pression. L'essai de disques compare la résistance à la pression de membranes essayées sous hélium et sous hydrogène dans les mêmes conditions expérimentales. La technique est simple, sensible et ses résultats sont fiables ; l'essai de disques permet des études originales et variées ; il révèle des paramètres qui ne sont pas toujours significatifs avec des méthodes d'essais moins performantes. Tout d'abord, nous présentons une synthèse de différents résultats généraux : la fragilisation par l'hydrogène en fonction de la résistance mécanique du matériau, de sa composition chimique et de ses traitements mécaniques et thermiques, l'influence du milieu gazeux (teneur en hydrogène ou en impuretés)... Ensuite, nous montrons plusieurs cas d'endommagement de matériaux : la fragilisation métallurgique consécutive à l'utilisation à température élevée ou moyenne de différents alliages, l'influence d'un vieillissement thermique sur la fragilisation par l'hydrogène gazeux, les différentes fragilisations si l'hydrogène est introduit dans le matériau avant ou pendant l'utilisation de l'équipement, l'influence du mécanisme de durcissement sur le vieillissement thermique et la fragilisation par l'hydrogène, la réduction de la durée de vie en fatigue consécutive au vieillissement thermique en service, au contact avec de l'hydrogène gazeux et à l'importante synergie entre ces deux phénomènes. Les résultats de fragilisation par la température et par l'hydrogène sont analysés de façon à être extrapolés aux conditions extrêmes de sollicitation d'un moteur de fusée : utilisation à haute température sous faible pression partielle d'hydrogène, refroidissement rapide, sursaturation en hydrogène et déformations oligocycliques d'origine thermique.

Abstract

Since three decades, the French nuclear centre (CEA) has defined and systematically used the disk pressure testing for studying and measuring the metals sensitivity to gaseous hydrogen. In 1990, this experimental method became a French standard to select metallic alloys used to construct high-pressured vessels under gaseous hydrogen. The disk pressure testing compares the pressure resistance of membranes similarly tested under helium and hydrogen. The experimental method is simple and sensitive and its results have always been sure; the disk testing allows original and various studies and reveals parameters that are not significant with less sensitive methods. First, we present an overview of different experimental results: the influence of the mechanical resistance on the hydrogen embrittlement, the influence of the chemical composition and the mechanical or thermal treatments of the materials, the influence of the gas composition (hydrogen content and impurities content)... Then, we present different types of metals damage: the metallurgical embrittlement of different alloys used at medium and high temperatures, the influence of the thermal ageing on gaseous hydrogen embrittlement, the embrittlements by gaseous and internal hydrogen when hydrogen enters the material before or during mechanical loading, the influence of the initial hardening mechanism on thermal ageing and on the hydrogen embrittlement, the shortened fatigue life due to thermal ageing and gaseous hydrogen and the synergy induced by the mutual presence of both these phenomena. The embrittlements are discussed and extrapolated to the loading and the extreme environment found within a space launcher engine: high temperatures with low partial pressure of hydrogen, rapid cooling, hydrogen super-saturation and high thermal cyclic strains.