Experimental Characterization of Influence of Gaseous Hydrogen on Fatigue Crack Propagation and Crack Tip Plasticity in Commercially Pure Iron

par Tomoki Shinko

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Gilbert Hénaff et de Damien Halm.

Le président du jury était Xavier Feaugas.

Le jury était composé de Isabelle Aubert, Milos Djukic.

Les rapporteurs étaient Afrooz Barnoush, Laurent Briottet.

  • Titre traduit

    Caractérisation expérimentale de l'influence de l'hydrogène gazeux sur la propagation et la plasticité en pointe de fissure de fatigue dans le fer ARMCO


  • Résumé

    L’objectif de cette étude est de caractériser expérimentalement la propagation de fissures de fatigue affectée par l’hydrogène (Hydrogen-Affected Fatigue Crack Growth, HAFCG) dans diverses conditions et de clarifier le mécanisme impliqué en se concentrant sur la plasticité en pointe de fissures. Pour cet objectif, dans une première étape, l’influence de l’hydrogène sur la déformation plastique a été étudiée à l’aide d’essais de traction effectués sur un fer commercialement pur, le fer Armco, sous hydrogène gazeux. Les résultats ont montré que l’effet de l’hydrogène sur la propagation des fissures après apparition de la striction est plus important que celui sur la déformation plastique uniforme. Le HAFCG a ensuite été étudié au moyen d’essais de fissuration pour diverses valeurs de l’amplitude de facteur d’intensité de contrainte ΔK, de pression d’hydrogène (PH2 = 3,5 et 35 MPa) et de fréquence de chargement (f = 0,02 - 20 Hz). Il a été révélé que les vitesses de propagation dans un régime à ΔK élevé étaient fortement augmentées par l'hydrogène, jusqu'à 50 fois plus élevé que celles dans l'air. Le mode de rupture est une rupture intergranulaire fragile dans un régime de propagation à faible ΔK, alors qu’on observe une rupture transgranulaire de type quasi-clivage dans un régime à ΔK élevé. La valeur de ΔKtr (valeur de ΔK déclenchant l'augmentation de la vitesse de fissuration) diminue en augmentant la pression PH2. En outre, la vitesse augmente en diminuant la fréquence f. Une fois que la fréquence devient inférieure à une valeur critique, la vitesse de fissuration diminue considérablement jusqu'au même niveau que celle sous azote. La plasticité en pointe de fissure a été analysée à plusieurs échelles par microscopie optique, par mesure de déplacement hors plan et par microscopie électronique à balayage par transmission de la structure de dislocation située immédiatement sous la surface de rupture (FIB/STEM). Aucune modification claire de la zone plastique monotone en pointe de fissure sous hydrogène n’a été observée, alors qu’une réduction drastique de la plasticité cyclique associée à l'augmentation de la vitesse a été identifiée. Sur la base des observations expérimentales, des modèles de mécanisme de fissuration intergranulaire induit par l'hydrogène impliquant la coalescence des micro-vides le long de joints de grain et de mécanisme de fissuration transgranulaire induit par l'hydrogène impliquant un clivage cyclique dû à la réduction de la plasticité en pointe de fissure ont été proposés. Trois critères caractéristiques de fissuration assistée par hydrogène (ΔKtr, gradient d'hydrogène (PH2 × f)1/2 et limite supérieure de vitesse de fissuration) ont été établis. Ces critères devraient être utiles pour améliorer la conception en fatigue et la fiabilité des équipements exposés à l'hydrogène gazeux.


  • Résumé

    The objective of this study is to experimentally characterize Hydrogen-Affected Fatigue Crack Growth (HAFCG) behavior under various conditions and clarify the mechanism by focusing on crack tip plasticity. For this objective, as a first step, the influence of hydrogen on plastic deformation has been investigated by means of tensile tests in a commercially pure iron, Armco iron, under gaseous hydrogen. The results of the tests pointed out that the hydrogen effect on crack propagation is more important than that on uniform plastic deformation. Then, the HAFCG was investigated by means of FCG tests under various conditions of crack tip stress intensity ΔK, hydrogen gas pressure (PH2 = 3.5 and 35 MPa) and loading frequency (f = 0.02 – 20 Hz). It has been revealed that the FCGRs in a high ΔK regime were highly enhanced by hydrogen up to 50 times higher than the one in air. The fracture mode was a brittle intergranular fracture in a low ΔK regime, while it is a brittle transgranular quasi-cleavage one in a high ΔK regime. The value of ΔKtr (value of ΔK triggering the FCGR enhancement) decreases by increasing the pressure PH2. Besides, the FCGR enhancement increases by decreasing the frequency f. Once f becomes lower than a critical value, the HAFCG rate significantly decreases down to the same level as in nitrogen., The crack tip plasticity was analyzed in a multiscale approach by means of optical microscopy, out-of-plane displacement measurement, and scanning transmission electron microscopy of dislocation structure immediately beneath the fracture surface (FIB/STEM). As a result, no clear modification of monotonic crack tip plasticity by hydrogen was observed, while a drastic reduction of cyclic crack tip plasticity associated with the FCGR enhancement was identified. Based on the experimental evidences, models of the hydrogen-induced intergranular FCG mechanism involving microvoid coalescence along grain boundary and the hydrogen-induced transgranular FCG mechanism involving cyclic cleavage due to crack tip plasticity reduction have been proposed. Three characteristic criteria of HAFCG (ΔKtr, hydrogen gradient (PH2 × f)1/2 and upper limit of FCGR) have been established. These criteria are expected to be useful for improving fatigue design and reliability of hydrogen-related equipment.


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