Hydrogen embrittlement of ferrous materials

The aim of this work is twofold: to better understand the hydrogen embrittlement mechanisms and to translate the acquired knowledge into a more appropriate qualification test.

The phenomena of hydrogen entry and transport inside the metals, together with the different types of damages due to the presence of hydrogen, are presented.

The analysis of the most important models proposed up to now for hydrogen embrittlement (HE) indicated that the slow dynamic plastic straining is a key factor for the embritteling process. There is a synergistic effect of hydrogen – dislocations interactions: on one hand hydrogen facilitates the dislocations movement (according to the HELP mechanism) and on the other hand dislocations transport hydrogen during their movement when their velocity is lower than a critical value.

This work is focused on supermartensitic stainless steels, base and welded materials. The interest on these materials is due to their broad use in offshore oil production.

First, the material’s characterisation with regards to hydrogen content and localisation was performed. This was conducted in charging conditions that are representative of industrial applications.

Because of previous industrial experience it was necessary to find a more appropriate qualification test method to asses the risk of HE.

In this work we proposed the stepwise repeated slow strain rate test (SW R – SSRT) as a qualification test method for supermartensitic stainless steels.

This test method combines hydrogen charging, test duration, plastic, dynamic and slow strains. Thus, this test method is coherent with both the model HELP proposed for hydrogen embrittlement and the observations of industrial failures.

The stepwise repeated slow strain rate test (SW RSSRT) is interesting not only as a qualification test of martensitic stainless steels, but also as a qualification test of conditions for using these materials (type of straining, range of strain and stress, strain rate, hydrogen charging conditions, etc.).

Ce travail se rapporte à l’endommagement provoqué par la présence simultanée de l’hydrogène sous forme atomique et une contrainte (appliquée où résiduelle).

Ce travail a comme but une meilleure compréhension du mécanisme de la fragilisation par l’hydrogène (FPH) et la recherche d’un essai de qualification qui soit cohérent avec ce mécanisme.

Les phénomènes liés à l’entrée et au transport de l’hydrogène au sein des métaux, ensemble avec les différents types d’endommagements dus à la présence de l’hydrogène, sont présentés.

L’analyse des modèles proposés jusqu’au présent pour la fragilisation par l’hydrogène (FPH) suggère que la déformation lente plastique dynamique est le facteur clé pour le processus de la fragilisation. Il y a un effet synergétique des interactions entre l’hydrogène et les dislocations: d’un coté l’hydrogène facilite le mouvement des dislocations (d’après le modèle HELP) et d’un autre coté les dislocations transportent l’hydrogène pendant leur mouvement, pourvu que leur vitesse soit en dessous d’une valeur critique.

Le travail a été conduit sur des aciers supermartensitiques, matériau de base et soudé. L’intérêt pour ces matériaux réside de leur large utilisation dans la production du pétrole en offshore.

D’abord, le matériau a été caractérisé du point de vu de la teneur et de la localisation de l’hydrogène. Les essais ont été conduits dans des conditions représentatives pour les cas industriels.

L’expérience industrielle d’auparavant indique qu’il est nécessaire de trouver un test de qualification plus approprié pour estimer la susceptibilité à la fragilisation par l’hydrogène.

Dans ce travail on propose un essai de traction lente incrémentée (SW R – SSRT) comme méthode de qualification pour les aciers supermartensitiques.

L’essai combine le chargement en hydrogène, la durée d’essai, la déformation lente, plastique et dynamique. Donc, cette méthode d’essai est cohérente avec le modèle HELP proposé pour FPH et les observations des accidents industriels.

Cet essai est intéressant pas seulement comme essai de qualification pour les aciers supermartensitiques, mais aussi comme essai de qualification pour les conditions d’utilisation des ces matériaux (type de déformation, niveau de déformation et contrainte, vitesse de déformation, conditions de chargement en hydrogène, etc.).