Post on 15-Feb-2021
DURABILITÉ DES MATÉRIAUX
MÉTALLIQUES : FOCUS SUR
L’HYDROGÈNE
FRÉDÉRIC CHRISTIEN
MINES SAINT-ETIENNE
LA CORROSION
DURABILITÉ DES MATÉRIAUX MÉTALLIQUES : FOCUS SUR L’HYDROGÈNE
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« La corrosion est la mauvaise conscience du métallurgiste, le prix à payer pour ce gaz
d’électrons libres qui assure la cohésion métallique et les propriétés attractives des métaux. »
Yves Bréchet
Propriétés attractives des métaux :
• Déformabilité
• Usinabilité
• Soudabilité
• Conductivités électrique et thermique
• Recyclabilité
• ...
Contrepartie : oxydabilité !
IMPACT ÉCONOMIQUE DE LA CORROSION
DURABILITÉ DES MATÉRIAUX MÉTALLIQUES : FOCUS SUR L’HYDROGÈNE
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2016
• Inclut les coûts directs des mesures anti-corrosion et de la maintenance
• N’inclut pas les coûts indirects, difficiles à évaluer :
- accidents,
- pannes,
- perte d’efficacité,
- surdimensionnement.
Corrosion = 3.4% du PIB mondial
IMPACT ENVIRONNEMENTAL DE LA CORROSION 4
CO2 PIBCorrosion (coûts directs) 3% CO2 mondial
+ les coûts indirects ???
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QUELQUES ACCIDENTS LIÉS À LA CORROSION 5
1999 - Naufrage du pétrolier Erika
1992 - Explosions de Guadalajara1984 - Aloha Airlines – Boeing 737
Kahului (Hawaï, USA)
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CORROSION ET FRAGILISATION PAR L’HYDROGÈNE 6
Métal
M M2+ + 2e-Réaction anodique
H+ + e- H
Réaction cathodique
Hdissous
H2 gazeux
[...]
[...]
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POURQUOI LA QUESTION DE LA FPH EST-ELLE ENCORE D’ACTUALITÉ ? 7
DURABILITÉ DES MATÉRIAUX MÉTALLIQUES : FOCUS SUR L’HYDROGÈNE
• Difficultés expérimentales : analyse locale quasi-impossible, mobilité à température ambiante,
• Modes d’actions multiples, et parfois simultanés, suivant les matériaux et les conditions de sollicitation,
• Les questions évoluent avec le développement de nouveaux matériaux.
AUTRES ORIGINES DE L’HYDROGÈNE DANS LES MÉTAUX 8
DURABILITÉ DES MATÉRIAUX MÉTALLIQUES : FOCUS SUR L’HYDROGÈNE
• Procédés de fabrication (fonderie, fabrication additive)
• Procédés de mise en œuvre (soudage, revêtements électrolytiques)
• Production, stockage, transport de l’hydrogène gazeux
0
1
2
3
4
5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112
H (
wt p
pm
)
Month
0
1
2
3
4
5
0 2 4 6 8 10 12
H (
wt
ppm
)
Water partial pressure (mm Hg)
Effect of humidity in air on hydrogen pick-up during
casting (from SafeMetal, thèse Ahmed Yaktiti)
Rôle de l’humidité dans les procédés
L’hydrogène est actif dès quelques ppm
EXEMPLE D’ÉTUDE N°1
•FRAGILISATION PAR L’HYDROGÈNE D’UN ACIER INOXYDABLE MARTENSITIQUE
EXEMPLE D’ÉTUDE 1 – FRAGILISATION PAR L’HYDROGÈNE D’UN ACIER INOXYDABLE MARTENSITIQUE 10
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Acier 17-4PH : applications aéronautiques, nucléaires...
Wt %
Précipitation nanométrique de
cuivre après 4h à 580°C
Phase map IPFzBCC / FCC
Thèse Michella Alnajjar
EXEMPLE D’ÉTUDE 1 – FRAGILISATION PAR L’HYDROGÈNE D’UN ACIER INOXYDABLE MARTENSITIQUE 11
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Slow Strain Rate Test
Endommagement par fissuration sous-critique
le long des joints austénitiques
M. Alnajjar, F. Christien, C. Bosch, K. Wolski, Materials Science and Engineering A 785 (2020) 139363.
10-4 mm/s
Striction nulle
Impact des éléments de microstructures ?
EXEMPLE D’ÉTUDE 1 – FRAGILISATION PAR L’HYDROGÈNE D’UN ACIER INOXYDABLE MARTENSITIQUE 12
DURABILITÉ DES MATÉRIAUX MÉTALLIQUES : FOCUS SUR L’HYDROGÈNE
Crack initiation and propagation is delayed thanks to the
surface compressive stress introduced by ball-burnishing
Residual stresses after ball-burnishing
Ball-burnishing Slow strain rate testing
M. Alnajjar, F. Christien, C. Bosch, K. Wolski, G. Kermouche, J. Rech, F. Salvatore, To be published.
EXEMPLE D’ÉTUDE N°2
•FRAGILISATION PAR L’HYDROGÈNE D’UN ACIER DE CONDUITE DE GAZ NATUREL
EXEMPLE D’ÉTUDE 2 – FRAGILISATION PAR L’HYDROGÈNE D’UN ACIER DE CONDUITE DE GAZ NATUREL 14
DURABILITÉ DES MATÉRIAUX MÉTALLIQUES : FOCUS SUR L’HYDROGÈNE
H2
Sources intermittentes
Electrolyse de l’eau
Power-to-gas Thèse Hamza Ez-Zaki
Acier faiblement allié
L’hydrogène comme vecteur énergétique...
H2 + ½ O2 H2O + Energie (240 kJ/mole de H2)
• L’hydrogène gazeux n’existe (quasiment) pas à l’état naturel,
• Actuellement, l’hydrogène est produit essentiellement à partir de ressources fossiles,
• On peut le produire par électrolyse de l’eau.
Quel est l’effet du mélange gazeux GN + H2 sur les propriétés mécaniques de l’acier ?
EXEMPLE D’ÉTUDE 2 – FRAGILISATION PAR L’HYDROGÈNE D’UN ACIER DE CONDUITE DE GAZ NATUREL 15
DURABILITÉ DES MATÉRIAUX MÉTALLIQUES : FOCUS SUR L’HYDROGÈNE
CEA LITEN
L’hydrogène n’a d’effet fragilisant qu’à un stade avancé de la déformation plastique
EXEMPLE D’ÉTUDE 2 – FRAGILISATION PAR L’HYDROGÈNE D’UN ACIER DE CONDUITE DE GAZ NATUREL 16
DURABILITÉ DES MATÉRIAUX MÉTALLIQUES : FOCUS SUR L’HYDROGÈNE
Endommagement par localisation de la déformation = striction localisée
C’est la pression partielle de H2 qui
gouverne l’endommagement
ሶ𝜀 = 10-4 s-1
CONCLUSION 17
DURABILITÉ DES MATÉRIAUX MÉTALLIQUES : FOCUS SUR L’HYDROGÈNE
• La corrosion a un impact économique et environnemental très fort.
• La corrosion est une des principales sources d’hydrogène dans les métaux.
• L’hydrogène a un effet fragilisant sur les métaux, même à l'état de trace.
• Ses modes d’actions sont multiples.
• L’hydrogène, en tant que vecteur énergétique, pose des questions au métallurgiste, notamment
concernant les situations non encadrées par les normes existantes.
•MERCI DE VOTRE ATTENTION !
Frédéric CHRISTIEN
Mines Saint-Etienne
frederic.christien@emse.fr
Merci aux collègues de Mines-Saint-Etienne qui ont participé de près ou de loin
aux travaux présentés ici.