DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

THÈSE




DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par l'Université Toulouse III - Paul Sabatier
Discipline ou spécialité : Science et Génie des Matériaux


Présentée et soutenue par Isabelle Moro
Le 13 novembre 2009

Titre :

Fragilisation par l'hydrogène gazeux d'un acier
ferrito-perlitique de grade API X80

JURY
M. J. Douin aaaaaa Président
M. X. Feaugas Rapporteur
M. E. Andrieu Examinateur
Mme C. Blanc Examinatrice
M. L. Briottet Examinateur
M. J. Chêne Examinateur
M. H. Barthélémy Examinateur

Ecole doctorale : Science de la Matière ED 482
Unité de recherche : Institut Carnot CIRIMAT/ENSIACET
Directeur(s) de Thèse : M. E. Andrieu
Rapporteurs : M. D. Delafosse et M. X. Feaugas

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- Remerciements -


Je tiens tout d'abord à remercier tous les membres du jury dont, en premier lieu,
Monsieur J. Douin qui m'a fait l'honneur de le présider. Je tiens également à exprimer ma plus
vive gratitude à Monsieur D. Delafosse et à Monsieur X. Feaugas pour avoir accepté
d'analyser ce travail et d'en être rapporteurs. Je remercie profondément toute l'équipe de
Toulouse, notamment Monsieur E. Andrieu, directeur de cette thèse, ainsi que
Madame C. Blanc et Monsieur G. Odemer pour leur sérieux, leur dynamisme, et l'aide qu'ils
m'ont apportée.


Je tiens également à remercier vivement Monsieur J. Chêne, avec qui travailler est un plaisir,
et sans qui certains des travaux présentés dans ce mémoire n'auraient pas vu le jour.


Je tiens également à remercier toute l'équipe du LTH du CEA Grenoble pour m'avoir soutenu
pendant ces trois années, pour leurs compétences, et pour les bons moments passés ensemble.
Je tiens à remercier tout particulièrement Monsieur L. Briottet, qui m'a encadré au CEA
Grenoble durant cette thèse, pour son travail, son sérieux, sa patience et sa bonne humeur
permanente. En bref, pour la qualité irréprochable de son encadrement. Je remercie également
Monsieur P. Lemoine pour le bon déroulement des essais mécaniques, et les heures à se
relayer dans le rôle du shadok de service afin de fermer l'autoclave!


Je tiens également à remercier toutes les personnes qui, de près ou de loin, ont participé à la
réalisation de ce travail.


Un grand merci à ma famille pour son encouragement et son aide. Et bien sûr, merci du fond
du coeur à la Marmotte pour son soutien, pour les innombrables parties de Race For The
Galaxy (un jour, j'en suis sûre, je finirai bien par gagner...), de Le Havre, de Caylus, pour les
sorties VTT en forêt, pour ses rocambolesques aventures en aquariophilie récifale (mention
spéciale pour le déménagement d'un 500 L avec rascasse incluse...!), bref pour tout !
2 FPH de l'acier X80

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- Résumé -

Cette étude porte sur la Fragilisation par Hydrogène (FPH), sous voie gazeuse haute pression
et à température ambiante, d'un acier à Haute Limite d'Elasticité (HLE) de grade API X80,
utilisé pour la construction de pipelines, ainsi que sur la compréhension des mécanismes
physiques de fragilisation associés. Ce travail s'inscrit dans un contexte de développement
d'une nouvelle politique énergétique, basée sur l'utilisation d'énergies renouvelables, et dans
laquelle l'utilisation de l'hydrogène, en tant que vecteur énergétique, s'inscrit pleinement.
Dans cette optique, l'utilisation de pipelines en acier HLE semble être, pour le transport de
l'hydrogène à grande échelle et à moindre coût, une des solutions à envisager. Celle-ci
nécessite cependant de quantifier, et de comprendre, l'impact de l'hydrogène sur ces aciers.

En premier lieu, ce travail s'est axé sur l'étude bibliographique des phénomènes
d'adsorption, d'absorption, de diffusion, de transport et de piégeage de l'hydrogène dans les
aciers. Il est s'accompagné d'un travail expérimental et numérique permettant l'implantation,
dans le code de calcul par éléments finis CAST3M, d'un modèle de diffusion de l'hydrogène
couplé aux champs mécaniques.

En second lieu, l'influence de l'hydrogène sur les caractéristiques mécaniques de l'acier
X80, de microstructure ferrito-perlitique, a été étudiée aux moyens d'essais de traction sous
300 bar d'hydrogène et à température ambiante. Une fois mise en évidence, la sensibilité de
l'acier X80 à la FPH a été analysée plus en détail via la réalisation d'essais de traction à
différentes vitesses de déformation, sous diverses pressions d'hydrogène, et sur des
éprouvettes axisymétriques entaillées. Ces travaux ont montré que l'ampleur de la FPH varie
effectivement avec les conditions expérimentales. De plus, corrélés aux résultats issus des
simulations de ces essais, ils ont également mis en lumière que, dans nos conditions
expérimentales et pour cet acier, la FPH est induite par trois populations distinctes
d'hydrogène : l'hydrogène piégé aux interfaces ferrite/perlite, l'hydrogène adsorbé en surface,
et enfin l'hydrogène réticulaire et piégé dans le volume du matériau.

En dernier lieu, la réalisation d'essais de traction et de rupture de disques, durant
lesquels des changements d'atmosphères ont été réalisés, ont montré une forte réversibilité de
la FPH, associée à son apparition quasi immédiate dès l'introduction d'hydrogène dans
l'atmosphère. Corrélés aux simulations de ces essais, ces résultats ont mis en exergue le rôle
de l'hydrogène adsorbé dans les mécanismes de fragilisation de l'acier X80. Ces travaux ont
également mis en évidence que l'hydrogène fortement piégé ne participe pas à la fragilisation
de l'acier. Au contraire, l'hydrogène réticulaire et faiblement piégé (W 16 kJ/mol), présent B
à proximité de la surface, semble amplifier l'effet fragilisant de l'hydrogène adsorbé.

Au final, trois mécanismes de fragilisation, associés chacun à une des populations
d'hydrogène incriminées dans la FPH de l'acier X80, sont présentés et discutés. Il ressort
principalement de cette étude que l'hydrogène adsorbé, par son influence sur l'organisation
des atomes du matériau en surface, a un rôle de tout premier plan dans la FPH sous voie
gazeuse haute pression et à température ambiante de l'acier X80.
£4 FPH de l'acier X80 5

- Sommaire -


• Notations............................................................................................................................ 7


•••• Introduction....................................................................................................................... 9


I. Matériaux d’étude ........................................................................................................... 17

I.1 Acier à haute limite d’élasticité de grade API X80 ........................................................ 18
I.1.1 Composition chimique et microstructure ...................................................................................... 19
I.1.2 Caractéristiques mécaniques ......................................................................................................... 22

I.2 Acier perlitique et Fer Armco........................................................................................... 25


II. L'hydrogène dans les aciers........................................................................................ 29

II.1 Mécanismes d'adsorption et d'absorption de l'hydrogène............................................. 30
II.1.1 Environnement gazeux.................................................................................................................. 31
II.1.2 Environnement liquide : chargement cathodique .......................................................................... 35
II.1.3 Comparaison entre chargement gazeux et cathodique...................