Study of Structure, Hydrogen Diffusion and Trapping, Plasticity and Fracture towards the Comprehension of Hydrogen-Assisted Cracking of High-Strength Low-Alloy Martensitic Steels
Institution:
La RochelleDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The challenge of developing steels for sour service oil country tubular goods (OCTG) with mechanical strengthhigher and higher maintaining a sufficient resistance to sulfide stress cracking (SSC) motivates this researchtowards a better understanding of the hydrogen embrittlement of low-alloy tempered martensitic steels. Structuralcharacterization is performed by multiple techniques including SEM-EBSD, TEM, DSC, synchrotron andconventional XRD. The results are related to diffusion and trapping parameters from electrochemical permeation(EP) and thermal desorption spectroscopy (TDS), being mostly discussed in terms of dislocation density, vacancyconcentration, yield strength, composition and tempering temperature for ten martensitic steels. Tensile, loadingunloadingand stress-relaxation tests are completed without hydrogen, after hydrogen pre-charging and desorption,and under hydrogen flux to evaluate the impact of hydrogen trapping and mobility on the hydrogen-plasticityinteractions. For the test under hydrogen flux, an electrochemical permeation cell is built on a mechanical testingmachine, which allows continuous monitoring of the global hydrogen flux and mechanical loading during thetensile test of notched and unnotched specimens. By varying the notch geometries and the cathodic polarizationcurrent densities, we tested the susceptibility of the steels to hydrogen-assisted cracking under various intensitiesof hydrogen flux and concentration for several mechanical states. Tests on pre-charged specimens revealed thatdeeply trapped hydrogen has a minor impact on the mechanical behavior and fracture, whereas mobile hydrogenleads to brittle quasi-cleavage fracture at the hydrogen entry surfaces. The permeation test under tensile loadingresults are incorporated into finite elements modelling (FEM). Macroscopic and local (from FEM) conditions forthe development of hydrogen-assisted quasi-cleavage fracture are evaluated, as well as the sensitivity of thesethreshold conditions (stress, plastic strain, hydrogen flux and concentration) to the severity of the applied cathodicpolarization.
Abstract FR:
Le défi que représente le développement d'aciers pour oil country tubular goods (OCTG) avec une résistance mécanique de plus en plus élevée tout en maintenant une résistance suffisante au sulfide stress cracking (SSC) motive cette recherche vers une meilleure compréhension de la fragilisation par l'hydrogène des aciers martensitiques revenus faiblement alliés. La caractérisation structurale est réalisée par de multiples techniques,notamment le MEB-EBSD, le MET, la DSC, la DRX synchrotron et conventionnelle. Les résultats sont liés aux paramètres de diffusion et de piégeage provenant de la perméation électrochimique (EP) et de la spectroscopie de désorption thermique (TDS). Ils sont principalement examinés en termes de densité de dislocation, de concentration de lacune, de limite d'élasticité, de composition et de température de revenu pour dix aciers martensitiques. Des essais de traction, de charge-décharge et de relaxation des contraintes sont réalisés sans hydrogène, après pré-chargement et désorption de l'hydrogène, et sous flux d'hydrogène pour évaluer l'impact du piégeage et de la mobilité de l'hydrogène dans les interactions hydrogène-plasticité. Pour l'essai sous flux d'hydrogène, une cellule de perméation électrochimique est construite sur une machine de traction, ce qui permet de surveiller en continu le flux global d'hydrogène et la charge mécanique pendant l'essai de traction des éprouvettes entaillées et non entaillées. En faisant varier les géométries des entailles et les densités de courant de polarisation cathodique, nous avons testé la susceptibilité des aciers à la fissuration assistée par l'hydrogène sous différentes intensités de flux et de concentration d'hydrogène pour plusieurs états mécaniques. Les essais sur des échantillons pré-chargés ont révélé que l'hydrogène profondément piégé a un impact mineur sur le comportement mécanique et la rupture, tandis que l'hydrogène mobile entraîne une rupture fragile par quasi clivage aux surfaces d'entrée de l'hydrogène. Les résultats de l'essai de perméation sous charge de traction sont intégrés dans la modélisation par éléments finis (FEM). Les conditions macroscopiques et locales (issues de la FEM) pour le développement de la rupture par quasi-clivage assistée par l'hydrogène sont évaluées, ainsi que la sensibilité de ces conditions de seuil (contrainte, déformation plastique, flux et concentration d'hydrogène) à l’intensité de la polarisation cathodique appliquée.