Brevet FR3106898A1 — publié le 20210806

La présente invention concerne un procédé d’analyse de la fragilisation par l’hydrogène de pièces mécaniques en aciers nus ou revêtus, éventuellement traités thermiquement, comprenant un essai préliminaire de traction sur un premier échantillon de pièces en position de serrage pour déterminer leur seuil de rupture à l’air, caractérisé en ce qu’on prépare un second échantillon de pièces identiques en position de serrage qui sont au moins partiellement immergées dans un milieu contenant de l’hydrogène où elles sont chargées électriquement, on effectue ensuite, dans ledit milieu, un essai de traction sur les pièces du second échantillon en leur appliquant une force de traction par paliers successifs correspondant chacun à une fraction du seuil de rupture à l’air jusqu’à atteindre un seuil de rupture à l’hydrogène desdites pièces puis on détermine leur résistance à la fragilisation par comparaison entre leur seuil de rupture à l’hydrogène et leur seuil de rupture à l’air. Figure 1 PROCEDE D’ANALYSE DE LA FRAGILISATION PAR L’HYDROGENE DE PIECES EN ACIERS NUS OU REVETUS UTILISEES DANS LES VEHICULES AUTOMOBILES L’invention s’applique au domaine de l’analyse des risques de fragilisation par l’hydrogène dans l’acier et/ou à la liaison acier/revêtement de pièces utilisées dans l’industrie automobile. Plus précisément, l’invention concerne, à titre principal, une méthode d’essai permettant de caractériser la sensibilité et le comportement de pièces mécaniques réalisées en aciers nus ou revêtus vis-à-vis du risque de fragilisation par l’hydrogène (dite aussi FpH) et, à titre subsidiaire, l’utilisation de ce procédé pour constituer une norme d’essai de fragilisation par l’hydrogène de pièces mécaniques en aciers nus ou revêtus destinées à l’industrie automobile. L’industrie automobile utilise un grand nombre de pièces en acier qui sont pourvues ou non d’un revêtement en différents matériaux. De telles pièces, telles que des vis, sont utilisées, notamment, pour assurer le montage et/ou l’assemblage sur un véhicule d’organes de liaison au sol (LAS) ou d’éléments du groupe moto propulseur (GMP). Or, il a été observé que ces pièces (en aciers nus ou revêtus) sont souvent devenues défaillantes suite à une fragilisation de l’acier lui-même ou du couple acier/revêtement par l’hydrogène ce qui pose des problèmes sérieux de fiabilité et de sécurité. Il existe des normes américaines, telles que les normes ASTM 519-06 et ASTM F1624, qui prévoient des méthodes destinées à tester la sensibilité à l’hydrogène de vis de série en cours d’utilisation. La plupart de ces normes se fondent sur des essais de traction pratiqués sur des échantillons en aciers revêtus. Toutefois, ces normes impliquent de reproduire les faciès de rupture de ces échantillons ce qui s’avère parfois difficile voire impossible. En outre, ces normes étant américaines, elles ne sont donc pas toujours reconnues et/ou appliquées en Europe. Par ailleurs, les conditions opératoires des essais imposées par ces normes ne permettent pas de garantir que les risques de rupture sont liés à l’hydrogène et non pas à un phénomène de corrosion sous contrainte. Il existe un grand nombre de publications traitant des conditions opératoires à utiliser en laboratoire pour enrichir en hydrogène les pièces mécaniques testées. Mais ces conditions ne visent pas à créer un mode de défaillance associé à un faciès de rupture que l’on rencontre en cours d’utilisation et pendant la durée de vie de ces pièces mécaniques. Ainsi, le brevet EP3395989 décrit un matériau austénitique dont la résistance à la fragilisation par l’hydrogène est mesurée via un allongement à la rupture selon des essais de traction à 25 ° C dans des conditions atmosphériques de 1 atm sous une pression d'hydrogène de 70 MPa. La demande de brevet WO2018/151974 décrit un procédé de test de fragilisation par l'hydrogène d'un échantillon en alliage d'acier consistant essentiellement à appliquer une charge de traction à l'échantillon et à soutenir la charge pendant une durée déterminée pour promouvoir et détecter l’apparition de fissures potentielles de fragilisation si une quantité suffisante d’hydrogène est présente dans l’échantillon analysé. Cependant, les méthodes d’analyse décrites dans ces documents ne permettent pas d’apprécier la sensibilité à la fragilisation par l’hydrogène d’une pièce mécanique constituée d’un matériau en acier (à base de fer, traité thermiquement ou non) pourvu d’un revêtement et utilisée dans un assemblage vissé. Dans ce contexte, l’invention apporte une solution technique consistant à caractériser le comportement de matériaux ferreux nus (traités thermiquement ou non) ou constitués de couples acier/revêtement dans une visserie mise à la tension souhaitée vis-à-vis du risque de fragilisation par l’hydrogène. En particulier, l’invention vise, à la fois, à discriminer les risques de fragilisation par l’hydrogène d’éléments d’assemblage à vis destinés à constituer des pièces de sécurité du véhicule (châssis, moteur), et à apprécier ces risques de fragilisation de manière concomitantes et/ou indépendantes en fonction : (i) de la nature de l’acier utilisé et, le cas échéant, de son traitement thermique associé, (ii) du revêtement appliqué et, (iii) du niveau de tension appliqué. Ce but est atteint, selon l’invention, au moyen d’un procédé d’analyse de la fragilisation par l’hydrogène de pièces mécaniques en aciers nus ou revêtus, comprenant un essai préliminaire de traction sur un premier échantillon de pièces en position de serrage pour déterminer leur seuil de rupture à l’air, caractérisé en ce qu’on prépare un second échantillon de pièces identiques en position de serrage qui sont au moins partiellement immergées dans un milieu contenant de l’hydrogène où elles sont chargées électriquement, on effectue ensuite, dans ledit milieu, un essai de traction sur les pièces du second échantillon en leur appliquant une force de traction par paliers successifs correspondant chacun à une fraction du seuil de rupture à l’air jusqu’à atteindre un seuil de rupture à l’hydrogène desdites pièces puis on détermine leur résistance à la fragilisation par comparaison entre leur seuil de rupture à l’hydrogène et leur seuil de rupture à l’air. Ce procédé s’applique aussi bien à des aciers éventuellement traités thermiquement. Selon une caractéristique avantageuse du procédé de l’invention, la fraction du seuil de rupture à l’air appliquée par palier aux pièces du second échantillon est comprise entre 2% et 10%. Selon une autre caractéristique, le milieu d’immersion du second échantillon comprend de 1% à 5% de NaCl, additionné de 1 à 10 g/l de CH3COONa et moins de 10g/l de KSCN, avec un pH ajusté à entre 1 et 4. Selon une première variante de mise en œuvre du procédé, le chargement électrique des pièces du second échantillon est effectué pendant 4 heures en mode galvanostatique avec une densité de courant comprise entre -1 et -10 mA/cm 2 . Selon une autre variante de mise en œuvre, l’essai de traction sur les pièces du second échantillon est mis en œuvre en deux étapes, respectivement, une première étape de 2 heures avec dix paliers d’effort mécanique en traction suivie d’une seconde étape de 8 heures avec dix autres paliers d’effort mécanique en traction. De préférence, le premier échantillon comprend au moins 2 pièces et le second échantillon comprend au moins 3 pièces. D’un point de vue statistique, il est bien sûr fortement conseillé d’en augmenter leurs nombres. Selon encore d’autres caractéristiques du procédé, le seuil de rupture à l’hydrogène retenu pour les pièces correspond à la valeur moyenne des seuils de rupture enregistrés pour le dernier palier (n) avant leur rupture. Plus particulièrement, si la rupture intervient en cours de palier (n), le seuil de rupture à l’hydrogène retenu correspond à la formule : [F(n-1) + F(n)] x [Tr]/[Tn] où F(n-1) est la valeur moyenne des forces du palier (n-1) précédent la rupture, F(n) est la valeur moyenne des forces du palier n jusqu’à la rupture, Tr est la durée du palier n jusqu’à la rupture et Tn est la durée théorique du palier n. Selon une variante spécifique de mise en œuvre du procédé, on effectue, à titre complémentaire, une analyse fractographique de la rupture comprenant l’identification de la nature de la rupture et la localisation sur les pièces de la zone de rupture. Un autre objet de l’invention est une utilisation du procédé défini ci-dessus pour constituer une norme d’essai de fragilisation par l’hydrogène de pièces mécaniques en aciers nus ou revêtus, éventuellement traités thermiquement, et destinées à l’industrie automobile. Le procédé de l’invention s’applique de façon très générale à des pièces mécaniques de différentes natures et, en particulier, au contrôle de la qualité des éléments de vissage destinés à l’assemblage de divers organes mécaniques implantés dans les véhicules automobiles (pièces de sécurité telles que vis de châssis, vis moteur, …). Le procédé de l’invention a ainsi des applications normatives pour l’industrie automobile en complétant les normes existantes telles que celles sur la phosphatation, sur les revêtements en zinc électrolytique, sur les revêtements en zinc lamellaire et permet de valider de nouvelles solutions pour des aciers avec ou sans revêtements utilisés en visserie automobile. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui va suivre, en référence à la figure annexée et détaillée ci-après. est un graphe illustrant un mode opératoire préférentiel du procédé de l’invention pour déterminer la résistance à l’hydrogène de pièces testées conformément à la norme ASTM F1624. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques dans la description et sur la figure. Naturellement, les modes de mise en œuvre du procédé de l’invention illustrés par la figure présentée ci-dessus et décrits ci-après, ne sont donnés qu'à titre d’exemples non limitatifs. Il est explicitement prévu que l'on puisse proposer et combiner entre eux différents modes pour en proposer d'autres. L’invention concerne le domaine de l’analyse de la sensibilité à la fragilisation par l’hydrogène de pièces mécaniques en aciers nus ou revêtus, éventuellement traités thermiquement et, en particulier, de pièces dites de sécurité, destinées à assurer l’assemblage de divers organes implantés dans les véhicules automobiles. Le procédé d’analyse de l’invention repose sur une série d’essais pratiqués sur des échantillons de ces pièces mécaniques en reproduisant leurs conditions de service et dont le mode opératoire est décrit ci-après. Le procédé de l’invention comprend un essai préliminaire de traction sur un premier échantillon de pièces placées en position de serrage pour simuler leurs conditions de service. Ce premier essai a pour but de déterminer la charge correspondant à leur seuil de rupture à l’air selon la norme NF EN ISO 898-1 (2013). Le procédé de l’invention est complété par un essai spécifique portant sur un second échantillon de pièces identiques à celles du premier échantillon et toujours placées en position de serrage dans des conditions conformes à leur conditions normales d’utilisation. Ces pièces sont au moins partiellement immergées dans un milieu contenant de l’hydrogène où elles sont chargées pendant 4 h en mode galvanostatique avec un courant de densité comprise entre -1 et -10 mA/cm 2 . Ainsi, pour une application du procédé à des vis, la partie immergée sera, de préférence, une partie de la tige filetée. Plus précisément, un tronçon central de la tige filetée sera exposé au milieu sur une longueur comprise entre 2 et 5cm tandis que ses tronçons d’extrémités seront enfermés dans un support gainé garni d’une protection en silicone hermétique permettant d’éviter tout couplage galvanique. Selon un mode de mise en œuvre spécifique du procédé de l’invention, le milieu d’immersion des pièces du second échantillon comprend entre 1% et 5 % de NaCl, additionné de 1 à 10 g/l de CH3COONa et de moins de 10g/l de KSCN, avec un pH ajusté entre 1 et 4.   Le procédé de l’invention prévoit d’effectuer ensuite, dans le milieu d’immersion, un essai de traction sur les pièces du second échantillon. Cet essai de traction consiste à exercer sur ces pièces une force de traction par paliers ou incréments successifs, chaque palier appliquant une fraction de la charge correspondant au seuil de rupture à l’air obtenu lors de l’essai préliminaire. Selon un mode de mise en œuvre préférentiel de l’invention, cette fraction incrémentale est de 5% de la charge de rupture à l’air. L’essai de traction séquentiel sur les pièces du second échantillon est mis en œuvre en deux étapes, respectivement, une première étape de 2 heures avec dix paliers d’effort en traction suivie d’une seconde étape de 8 heures avec dix autres paliers d’effort en traction. Cet essai est poursuivi jusqu’à atteindre le seuil de charge correspondant à la rupture des pièces. Sur toute la durée de chaque palier de chargement, la position de la traverse est maintenue et on enregistre cette position et le niveau de charge en fonction du temps. L’analyse des résultats des deux essais de traction conduit à déterminer leur résistance à la fragilisation par comparaison entre le seuil de rupture à l’hydrogène obtenu par l’essai incrémental de traction sur le second échantillon en immersion et le seuil de rupture à l’air obtenu par l’essai de traction sur le premier échantillon. D’une manière générale, plus la charge à la rupture est basse dans l’essai incrémental, plus le matériau est sensible à la fragilisation par l’hydrogène. Les résultats de la charge maximale à la rupture qui sont pris en compte correspondent à la moyenne des niveaux de charge enregistrés pour le dernier palier avant la rupture. Plus précisément, le seuil de rupture à l’hydrogène retenu pour les pièces testées correspond à la valeur moyenne des seuils de rupture enregistrés pour le dernier palier (n) avant leur rupture. Les graphes de la figure 1 illustrent la méthode de détermination des incréments de charge en fonction de différents comportements d’une pièce en acier nu ou revêtu, éventuellement traitée thermiquement, mise sous contraintes sous l’effet d’une force de traction P, notamment, lors de la phase de rupture, en fonction du temps T ; Pi étant la charge initiatrice de la rupture et Pth la charge correspondant au seuil de rupture. Dans le cas d’une perte de charge ne conduisant pas à la rupture (diminution de la vitesse de perte de charge – selon la courbe type B de forme concave illustrée par la figure 1, issue de la norme ASTM F1624), cette perte de charge est considérée comme induite par une phase de déformation plastique sans amorce de rupture ou de fissure. L’essai de traction peut donc se poursuivre. Dans le cas d’une perte de charge conduisant à la rupture (se traduisant par une perte brutale de la charge ou une augmentation de la vitesse de perte de charge – selon la courbe type A de forme convexe illustrée par la figure 1 issue de la norme ASTM F1624), les deux situations suivantes peuvent alors apparaître. Si la rupture de la pièce, et donc la chute de charge, intervient au cours de la montée en charge entre les paliers (n) et (n+1) ou juste après, le palier seuil considéré est le palier (n). Le niveau de charge seuil à prendre en compte est alors la valeur moyenne du niveau de charge du palier (n). Si la rupture de la pièce, et donc la chute de charge, intervient en cours de palier (n), le niveau de charge seuil à prendre en compte répond à la formule [F(n-1) + F(n)] x [Tr]/[Tn] ; où F(n-1) est la valeur moyenne des forces du palier (n-1) précédent la rupture, F(n) est la valeur moyenne des forces du palier (n) jusqu’à la rupture, Tr est la durée du palier (n) jusqu’à la rupture et Tn est la durée théorique du palier (n). L’opération suivante peut consister à classer et/ ou à hiérarchiser les différentes pièces testées présentant les variations de la résistance à la fragilisation par l’hydrogène (en %) en référence à la résistance à la rupture (à l’air ambiant). A la suite des essais de traction et à titre subsidiaire, le procédé de l’invention peut prévoir d’effectuer des analyses complémentaires telles qu’une analyse fractographique de la rupture comprenant l’identification de la nature de la rupture et la localisation sur les pièces de la zone de rupture. Plus précisément, ces dernières opérations d’analyse peuvent consister, notamment, à localiser le plan de rupture (sur ou hors de la partie de la pièce immergée dans le milieu), la partie de la pièce où se situe et où, le cas échéant, s’initie la rupture (partie filetée de la vis, rayon sous la tête, fût lisse, …).   Ces opérations complémentaires peuvent aussi inclure une vérification de la présence ou de l’absence d’un phénomène de striction identifiable à l’échelle macroscopique, la localisation de la (ou des) zone(s) d’amorce par analyse fractographique réalisée à la loupe binoculaire et au microscope électronique à balayage. Si nécessaire, un décapage préalable de la pièce à l’acide permettra le retrait des oxydes présents sur la cassure. Le cas échéant, le procédé peut prévoir aussi une identification du relief de la cassure au niveau de la zone d’amorce de rupture et, en fonction du résultat, une identification par analyse élémentaire, typiquement par EDS (Energy Dispersive Spectrometry), de la nature de l’inclusion sur laquelle l’amorce de rupture s’est initiée, ainsi qu’une analyse qualitative par microanalyse aux rayons X pour identifier les éléments chimiques constitutifs de l’inclusion. Enfin, les résultats obtenus par la mise en œuvre du procédé de l’invention peuvent être complétés ou affinés par une estimation de l’étendue (en deux ou trois dimensions) de la zone de rupture présentant un microrelief de cassure caractéristique d’un processus de fragilisation par l’hydrogène.  Procédé d’analyse de la fragilisation par l’hydrogène de pièces mécaniques en aciers nus ou revêtus, comprenant un essai préliminaire de traction sur un premier échantillon de pièces en position de serrage pour déterminer leur seuil de rupture à l’air, caractérisé en ce qu’on prépare un second échantillon de pièces identiques en position de serrage qui sont au moins partiellement immergées dans un milieu contenant de l’hydrogène où elles sont chargées électriquement, on effectue ensuite, dans ledit milieu, un essai de traction sur les pièces du second échantillon en leur appliquant une force de traction par paliers successifs correspondant chacun à une fraction du seuil de rupture à l’air jusqu’à atteindre un seuil de rupture à l’hydrogène desdites pièces puis on détermine leur résistance à la fragilisation par comparaison entre leur seuil de rupture à l’hydrogène et leur seuil de rupture à l’air. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fraction du seuil de rupture à l’air appliquée par palier aux pièces du second échantillon est comprise entre 2% et 10%. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit milieu d’immersion du second échantillon comprend entre 1% et 5 % de NaCl, additionné de 1 à 10 g/l de CH3COONa et de moins de 10g/l de KSCN, avec un pH ajusté entre 1 et 4.   Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le chargement électrique des pièces du second échantillon est effectué pendant 4 heures en en mode galvanostatique avec une densité de courant comprise entre -1 et -10 mA/cm 2 . Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’essai de traction sur les pièces du second échantillon est mis en œuvre en deux étapes, respectivement, une première étape de 2 heures avec dix paliers suivie d’une seconde étape de 8 heures avec dix autres paliers. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier échantillon comprend au moins 2 pièces et le second échantillon comprend au moins 3 pièces. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le seuil de rupture à l’hydrogène retenu pour lesdites pièces correspond à la valeur moyenne des seuils de rupture enregistrés pour le dernier palier (n) avant leur rupture. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, si la rupture intervient en cours de palier (n), le seuil de rupture à l’hydrogène retenu correspond à la formule : [F(n-1) + F(n)] x [Tr]/[Tn] où F(n-1) est la valeur moyenne des forces du palier (n-1) précédent la rupture, F(n) est la valeur moyenne des forces du palier n jusqu’à la rupture, Tr est la durée du palier n jusqu’à la rupture et Tn est la durée théorique du palier n. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’on effectue, à titre complémentaire, une analyse fractographique de la rupture comprenant l’identification de la nature de la rupture et la localisation sur les pièces de la zone de rupture. Utilisation du procédé selon l’une des revendications précédentes pour constituer une norme d’essai de fragilisation par l’hydrogène de pièces mécaniques en aciers nus ou revêtus, éventuellement traités thermiquement et destinées à l’industrie automobile.