Qu’est-ce que la fragilisation par l’hydrogène – Définition

La fragilisation par l’hydrogène est l’une des nombreuses formes de fissuration par corrosion sous contrainte. La fragilisation par l’hydrogène résulte de l’action combinée d’une contrainte de traction appliquée et d’un environnement hydrogène corrosif, les deux influences sont nécessaires. Dans ce cas, l’agent corrosif est l’hydrogène sous sa forme atomique (H par opposition à la forme moléculaire, H₂), qui diffuse de manière interstitielle à travers le réseau cristallin, et des concentrations aussi faibles que plusieurs parties par million peuvent entraîner des fissures. Bien que la fragilisation des matériaux prenne de nombreuses formes, la fragilisation par l’hydrogène dans les aciers à haute résistance a l’effet le plus dévastateur en raison de la nature catastrophique des ruptures lorsqu’elles se produisent. La fragilisation par l’hydrogène est le processus par lequel l’acier perd sa ductilité et sa résistance en raison de minuscules fissures résultant de la pression interne de l’hydrogène (H₂), qui se forme aux joints de grains. Dans le cas des aciers, l’hydrogène diffuse ensuite le long des joints de grains et se combine avec le carbone pour former du gaz méthane. Le gaz méthane s’accumule dans de petits vides le long des joints de grains, où il accumule d’énormes pressions qui déclenchent des fissures et diminuent la ductilité de l’acier. Si le métal est soumis à une contrainte de traction élevée, une rupture fragile peut se produire.

Voir aussi: Résistance à la rupture

C’est un processus complexe qui n’est pas complètement compris en raison de la variété et de la complexité des mécanismes qui peuvent conduire à la fragilisation. Un certain nombre de mécanismes ont été proposés pour expliquer la fragilisation par l’hydrogène. Les mécanismes qui ont été proposés pour expliquer la fragilisation comprennent la formation d’hydrures fragiles, la création de vides pouvant conduire à des bulles et à l’accumulation de pression dans un matériau. L’hydrogène est introduit à la surface d’un métal et des atomes d’hydrogène individuels diffusent à travers la structure métallique. Étant donné que la solubilité de l’hydrogène augmente à des températures plus élevées, l’augmentation de la température peut augmenter la diffusion de l’hydrogène.

Pour que la fragilisation par l’hydrogène se produise, une combinaison de trois conditions est requise:

• la présence et la diffusion d’hydrogène
• un matériau sensible
• stress

Dans les alliages de zirconium, la fragilisation par l’hydrogène est causée par l’hydruration du zirconium. Dans les réacteurs nucléaires, le terme «fragilisation par l’hydrogène» fait généralement référence à la fragilisation des alliages de zirconium provoquée par l’hydruration du zirconium.

Référence spéciale: US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.

Fragilisation par l’hydrogène des alliages de zirconium

La gaine empêche les produits de fission radioactifs de s’échapper de la matrice combustible dans le caloporteur du réacteur et de le contaminer. Il existe diverses causes profondes de panne de carburant, qui ont été identifiées dans le passé. Aux premières dates d’exploitation des REP et des REB, ces causes étaient principalement des défauts de fabrication ou des frottements. Une des causes possibles est également:

• Hydratation interne. L’inclusion par inadvertance de matériaux contenant de l’hydrogène à l’intérieur d’une barre de combustible peut entraîner une hydruration et donc une fragilisation de la gaine de combustible. Les sources d’hydrogène étaient principalement l’humidité résiduelle ou la contamination organique dans les pastilles/barres de combustible. Cette cause de défaillance a été pratiquement éliminée grâce à une fabrication améliorée.
• Fissuration retardée par les hydrures (DHC).  La fissuration retardée par les hydrures est l’initiation et la propagation des fissures en fonction du temps à travers la fracture des hydrures qui peuvent se former en avant de la pointe de la fissure. Ce type de défaillance peut être initié par de longues fissures à la surface extérieure du revêtement, qui peuvent se propager dans une direction axiale/radiale. Ce mécanisme de défaillance peut potentiellement limiter le fonctionnement à taux de combustion élevé.

L’agent agressif à cet égard est l’eau du circuit primaire, à une température d’environ 300°C. Celle-ci oxyde le zirconium selon la réaction :

Zr + 2H₂O→ZrO₂ + 2H₂

entraînant la formation d’oxyde solide à la surface du métal.

Une partie de l’hydrogène produit par la corrosion du zirconium dans l’eau se combine avec le zirconium pour former une phase séparée de plaquettes d’hydrure de zirconium (ZrH1.5). L’hydrogène migre sous l’effet du gradient thermique pour s’accumuler dans les régions les moins chaudes, formant des hydrures susceptibles de fragiliser la gaine, lors du refroidissement du combustible. Le métal se fragilise alors (la ductilité diminue) et se casse facilement. Des fissures commencent à se former dans les plaquettes d’hydrure de zirconium et se propagent à travers le métal.

La fragilisation par l’hydrogène est également d’une très grande importance pour l’oxydation à la vapeur à haute température des alliages de zirconium .

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir au dessus:

Robustesse