ISO/TR 20491:2019
(Main)Fasteners — Fundamentals of hydrogen embrittlement in steel fasteners
Fasteners — Fundamentals of hydrogen embrittlement in steel fasteners
This document presents the latest knowledge related to hydrogen embrittlement, translated into know-how in a manner that is complete yet simple, and directly applicable to steel fasteners.
Fixations — Principes de la fragilisation par l'hydrogène pour les fixations en acier
Le présent document présente les connaissances les plus récentes relatives à la fragilisation par l'hydrogène sous forme de know-how, transcrite d'une façon complète, facilement accessible et directement applicable aux fixations en acier.
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Standards Content (Sample)
TECHNICAL ISO/TR
REPORT 20491
First edition
2019-02
Fasteners — Fundamentals of
hydrogen embrittlement in steel
fasteners
Fixations — Principes de la fragilisation par l'hydrogène pour les
fixations en acier
Reference number
©
ISO 2019
© ISO 2019
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ii © ISO 2019 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviated terms . 4
5 General description of hydrogen embrittlement . 4
6 Hydrogen damage mechanism . 4
7 Fracture morphology . 5
8 Conditions at the tip of a crack . 7
9 Conditions for hydrogen embrittlement failure . 7
9.1 Root cause and triggers for hydrogen embrittlement failure . 7
9.2 Material susceptibility . 8
9.2.1 General. 8
9.2.2 Defects and other conditions causing abnormal material susceptibility .10
9.2.3 Methodology for measuring HE threshold stress .10
9.3 Tensile stress .11
9.4 Atomic hydrogen .12
9.4.1 Sources of hydrogen . .12
9.4.2 Internal hydrogen .12
9.4.3 Environmental hydrogen .13
10 Case-hardened fasteners .13
11 Hot dip galvanizing and thermal up-quenching .15
12 Stress relief prior to electroplating .16
13 Fasteners thread rolled after heat treatment.16
14 Hydrogen embrittlement test methods .17
15 Baking .17
Bibliography .19
Foreword
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bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
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iv © ISO 2019 – All rights reserved
Introduction
High strength mechanical steel fasteners are broadly characterized by tensile strengths (R ) above
m
1 000 MPa and are often used in critical applications such as in bridges, engines, aircraft, where a
fastener failure can have catastrophic consequences. Preventing failures and managing the risk of
hydrogen embrittlement (HE) is a fundamental consideration implicating the entire fastener supply
chain, including: the steel mill, the fastener manufacturer, the coater, the application engineer, the joint
designer, all the way to the end user. Hydrogen embrittlement has been studied for decades, yet the
complex nature of HE phenomena and the many variables make the occurrence of fastener failures
unpredictable. Researches are typically conducted under simplified and/or idealized conditions that
cannot be effectively translated into know-how prescribed in fastener industry standards and practices.
Circumstances are further complicated by specifications or standards that are sometimes inadequate
and/or unnecessarily alarmist. Inconsistencies and even contradictions in fastener industry standards
have led to much confusion and many preventable fastener failures. The fact that HE is very often
mistakenly determined to be the root cause of failure as opposed to a mechanism of failure reflects the
confusion.
TECHNICAL REPORT ISO/TR 20491:2019(E)
Fasteners — Fundamentals of hydrogen embrittlement in
steel fasteners
1 Scope
This document presents the latest knowledge related to hydrogen embrittlement, translated into know-
how in a manner that is complete yet simple, and directly applicable to steel fasteners.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
3.1
hardness
resistance of a metal to plastic deformation, usually by indentation or penetration by a solid object (at
the surface or in the core)
3.2
work hardening
increase of mechanical strength and hardness (3.1) when a metal is plastically deformed at ambient
temperature (by rolling, drawing, stretching, sinking, heading, extrusion, etc.) also resulting in a
decrease of ductility
3.3
heat treatment
process cycle (controlled heating, soaking and cooling) of a solid metal or alloy product, to obtain a
controlled and homogeneous transformation of the material structure and/or to achieve desired
physical or mechanical properties
Note 1 to entry: Quenching and tempering, annealing, case-hardening and stress relief are examples of heat
treatment for fasteners.
3.4
quenching and tempering
QT
heat treatment (3.3) process of quench hardening comprising austenitizing and fast cooling, under
conditions such that the austenite transforms more or less completely into martensite (and possibly
into bainite), followed by a reheat to a specific temperature for a controlled period, then cooling, in
order to achieve the required level of physical or mechanical properties
3.5
case-hardening
thermochemical treatment process consisting of carburizing or carbonitriding followed by quenching
which induces an increase of hardness (3.1) in the surface of the fastener steel
Note 1 to entry: This process is used for tapping screws, thread forming screws, self-drilling screws, etc.
3.6
stress relief
heat treatment (3.3) process by which fasteners are heated to a predetermined and controlled
temperature followed by a slow cooling, for the purpose of reducing residual stresses induced by work
hardening (3.2)
3.7
baking
process of heating fasteners for a specified duration at a given temperature in order to minimize the
risk of internal hydrogen embrittlement (3.15)
[SOURCE: ISO 1891-2:2014, 3.4.11, modified — "time" was replaced with "duration"]
3.8
crack
beginning of fracture (3.10) without complete separation
[SOURCE: ASTM F2078-15, modified — "line" was replaced with "beginning"]
3.9
failure
loss of the ability of a fastener to perform a specified function, which in some cases can lead to complete
fracture (3.10)
3.10
fracture
break occurring when the plastic deformation in a fastener increases locally above its resistance limit,
resulting in the separation of the fastener into two or more pieces, during testing or in service
3.11
fracture morphology
structure and aspect of the fractured surface
3.12
ductile
exhibiting a large amount of plastic deformation before fracture (3.10) with a resulting non-flat fracture
surface showing fibrous ductile dimple morphology that is typically dull or matte
3.13
brittle
exhibiting little or no plastic deformation before fracture (3.10) with a resulting flat fracture surface
showing brittle morphology that is typically shiny
Note 1 to entry: Brittle fracture along cleavage planes is known as transgranular fracture.
Note 2 to entry: Brittle fracture by separation at prior austenite grain boundaries is known as intergranular
fracture.
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3.14
hydrogen embrittlement
HE
permanent loss of ductility in a metal or alloy caused by atomic hydrogen in combination with load
[1]
induced and/or residual tensile stress that can lead to brittle (3.13) fracture (3.10) after certain time
Note 1 to entry: In the context of describing hydrogen embrittlement of high strength steel fasteners, the term
“hydrogen” refers to atomic hydrogen and not molecular H gas.
[SOURCE: ISO 1891-2:2014, 3.4.9, modified — Note 1 to entry has been added.]
3.15
internal hydrogen embrittlement
IHE
embrittlement caused by residual hydrogen from manufacturing processes, resulting in delayed brittle
failure (3.9) of fasteners under load induced and/or residual tensile stress
[SOURCE: ISO 1891-2:2014, 3.4.10]
3.16
environmental hydrogen embrittlement
EHE
embrittlement caused by hydrogen absorbed as atomic hydrogen from a service environment,
resulting in delayed brittle failure (3.9) of fasteners under tensile stress (i.e. load induced and/or
residual tensile stress)
[SOURCE: ISO 1891-2:2014, 3.4.13]
3.17
hydrogen embrittlement threshold stress
critical stress below which hydrogen embrittlement (3.14) does not occur, which represents the degree
of susceptibility of a steel for a given quantity of available hydrogen
3.18
stress corrosion cracking
SCC
category of environmental hydrogen embrittlement (3.16) where failure (3.9) occurs during service by
cracking under the combined action of corrosion generated hydrogen and load induced tensile stress
[SOURCE: ISO 1891-2:2014, 3.4.14]
3.19
hydrogen diffusion
propagation of hydrogen and interaction with metallurgical features within the steel microstructure
(microcracks, dislocations, precipitates, inclusions, grain boundaries, etc.) which constitute areas of
traps into the fastener material: non-reversible traps (characterized by high bonding energies and low
probability of hydrogen being released) and reversible traps (characterized by low bonding energies
and hydrogen being released more readily)
3.20
hydrogen effusion
outward migration of hydrogen from the fastener material, occurring naturally at ambient temperature
due to concentration gradient or as the result of a thermal driving force [e.g. baking (3.7)]
4 Symbols and abbreviated terms
EHE environmental hydrogen embrittlement
HAC hydrogen assisted cracking
HE hydrogen embrittlement
HELP hydrogen enhanced local plasticity
HIC hydrogen induced cracking
IHE internal hydrogen embrittlement
SCC stress corrosion cracking
5 General description of hydrogen embrittlement
Generally, hydrogen embrittlement is classified under two broad categories based on the source of
hydrogen: internal hydrogen embrittlement (IHE) and environmental hydrogen embrittlement (EHE).
IHE is caused by residual hydrogen from steelmaking and/or from processing steps such as pickling
and electroplating. EHE is caused by hydrogen introduced into the metal from external sources while it
is under stress, such as in-service fastener.
The term “stress corrosion cracking” (SCC) is used in relation to EHE that occurs when hydrogen is
produced as a by-product of surface corrosion and is absorbed by the steel fastener. Cathodic hydrogen
absorption is a subset of SCC. Cathodic hydrogen absorption occurs in the presence of metallic coatings
such as zinc or cadmium that are designed to sacrificially corrode to protect a steel fastener from
rusting. If the underlying steel becomes exposed, a reduction process on the exposed steel surface
simultaneously results in the evolution of hydrogen in quantities that are significantly greater than in
the case of uncoated steel.
The terms “de-embrittlement” and “re-embrittlement” are also used in the aerospace field but are
technically incorrect because embrittlement is not reversible. De-embrittlement is misused to describe
the effect of baking, and re-embrittlement is misused to describe the effect of hydrogen absorption
during service or by use of maintenance cleaning fluids.
6 Hydrogen damage mechanism
High strength steel is broadly defined as having a tensile strength (R ) above 1 000 MPa. When high
m
strength steel is tensile stressed, as is the case with a high strength fastener that is under tensile
load from tightening, the stress causes atomic hydrogen within the steel to diffuse (i.e. move) to the
location of greatest stress (e.g. at the first engaged thread or at the fillet radius under the head of a
bolt). As increasingly higher concentrations of hydrogen collect at this location, steel that is normally
ductile gradually becomes brittle. Eventually, the concentration of stress and hydrogen in one location
causes a hydrogen assisted (brittle) microcrack. The brittle microcrack continues to grow as hydrogen
moves to follow the tip of the propagating crack, until the fastener is overloaded and finally fractures.
This phenomenon is often called hydrogen assisted cracking (HAC) [or hydrogen induced cracking
(HIC)]. The hydrogen damage mechanism as described causes the fastener to fail at stresses that are
[1][2]
significantly lower than the basic strength of the fastener as determined by a standard tensile test .
Theoretical models that describe hydrogen damage mechanisms under idealized conditions have been
[2]
proposed since the 1960s . In the case of high strength steel, these models are based primarily on two
[3] [4][5][6]
complementary theories of decohesion and hydrogen enhanced local plasticity (HELP) . Given the
[7]
complexity of HE phenomena, hydrogen damage models continue to evolve and be refined . An in-
depth review of the theories of hydrogen damage is outside the scope of this technical report. However,
detailed information is given in the references listed in the Bibliography.
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Hydrogen "traps" refer to metallurgical features within the steel microstructure such as grain
[8]
boundaries, dislocations, precipitates, inclusions, etc., to which hydrogen atoms can become bonded .
Hydrogen thus “trapped” is no longer free to diffuse (i.e. move) to areas of high stress where it can
participate in the mechanism of HAC. Traps are typically classified as reversible or non-reversible based
on their bonding energies. Reversible traps are characterized by low bonding energies: in other words,
hydrogen is more easily released from the trap. Non-reversible traps are characterized by high bonding
energies: in other words, hydrogen requires a great deal of energy (e.g. from heat or stress field) to be
released from the trap. Non-trapped hydrogen which is free to move in the metal lattice is called mobile
[9][10][11]
hydrogen; it is also known as interstitial or diffusible hydrogen .
7 Fracture morphology
With quenched and tempered high strength steel fasteners, the fracture surface resulting from
hydrogen assisted cracking (HAC) is typically characterized by brittle intergranular morphology which
is caused by a crack growth path that follows the grain boundaries (see Figure 1). The morphology of
a fracture surface varies based on the susceptibility of the material and the degree of embrittlement.
Clearly defined grain facets (i.e. sharp and angular features) and/or a high proportion of brittle versus
[12]
ductile features are indicative of high degree of embrittlement . Figure 1 illustrates a fracture surface
that is 100 % intergranular with very well-defined grain facets. Less susceptible materials can present
fracture surfaces that contain a mix of intergranular and cleavage (i.e. trans-granular) morphologies.
With a tensile loaded fastener, a brittle hydrogen assisted crack typically grows up to a point where
the reduced cross section of the fastener can no longer withstand the applied load. At this point, the
fastener fractures rapidly (i.e. fast fracture). A normal fracture morphology corresponding to fast
fracture is ductile, characterized by ductile dimples. Figure 2 illustrates a fracture surface where the
brittle hydrogen assisted crack propagation ended (i.e. final crack tip) prior to final ductile fast fracture
of the fastener.
Other forms of embrittlement failure are caused by phenomena not related to the presence of hydrogen
such as temper embrittlement, quench embrittlement, quench crack, etc., that must be distinguished
from hydrogen embrittlement failures. These other types of embrittlement can exhibit similar
intergranular fracture surfaces but are principally distinguished from hydrogen embrittlement by the
fact that they are not time dependent.
Figure 1 — Fracture surface showing 100 % well defined brittle intergranular morphology —
Cr-Mo alloy steel (AISI 4135), quenched and tempered to 530 HV, zinc electroplated
Figure 2 — Fracture surface showing both brittle intergranular morphology resulting from
HAC and ductile dimple morphology indicative of final fracture — Cr-Mo alloy steel (AISI 4135)
at 530 HV, zinc electroplated
6 © ISO 2019 – All rights reserved
8 Conditions at the tip of a crack
A microcrack can be initiated in a loaded fastener by several mechanisms that are not necessarily
related to HAC (e.g. fatigue, overloading, grain boundary weakening by phosphorous segregation).
However, once a crack is initiated by any mechanism including HAC, the conditions at the tip of the
[13]
crack, notably the concentration of stress, are often much more severe than initial conditions . The
crack can propagate readily by a single or a combination of mechanisms that seek to reduce the stress
at the tip of the crack. If it happens that a sufficient quantity of hydrogen is available to interact with
the crack tip, then the propagation of the crack can be facilitated by HAC (see Figure 3). For example,
even in low susceptibility materials, an existing crack under static or cyclic load exposed to a corrosive
[14][15]
environment can propagate in part by stress corrosion cracking .
Key
1 atomic hydrogen
2 propagating crack
Figure 3 — An existing sharp crack surrounded by atomic hydrogen that can interact with the
crack tip to cause hydrogen assisted crack propagation
In the case where HAC is the mechanism of an initial microcrack, the time to failure is significantly
shortened as available hydrogen continues to interact with and follow the tip of the propagating crack.
In such a scenario, HAC is the primary failure mechanism. A failure investigation needs to distinguish
the scenario where HAC is the mechanism of an initial microcrack from a scenario where the mechanism
of the initial crack is not related to HAC. The fracture surface presented by the latter scenario can
nevertheless exhibit intergranular features if hydrogen becomes available to interact with the crack
tip; in this case, HAC must be considered only as a secondary fracture mechanism.
9 Conditions for hydrogen embrittlement failure
9.1 Root cause and triggers for hydrogen embrittlement failure
Three elemental conditions must be present concurrently to cause hydrogen embrittlement failure (see
Figure 4):
— material condition that is susceptible to hydrogen damage,
— tensile stress (typically from an externally applied load or residual stress), and
— atomic hydrogen.
If all three of these elements are present in sufficient and overlapping quantities, and given time,
hydrogen damage results in crack initiation and growth until the occurrence of fracture. Time to failure
can vary, depending on the severity of the conditions and the source of hydrogen. Stress and hydrogen
are considered triggers, whereas material susceptibility is the fundamental requirement for HE to occur
[16]
and is therefore associated with the root cause .
Figure 4 — Confluence of the three necessary conditions
for delayed hydrogen embrittlement (HE) failure to occur
9.2 Material susceptibility
9.2.1 General
Susceptibility of a material to hydrogen damage (i.e. material susceptibility) is a function of the
material condition, which is comprehensively described by the metallurgical structure and mechanical
properties of a material such as steel. Examining material susceptibility is the fundamental basis for
understanding hydrogen embrittlement phenomena.
Given that hydrogen embrittlement causes loss of ductility and, consequently, loss of strength, the
foundation for studying and quantifying susceptibility of a material to hydrogen damage begins with
mechanical testing. This testing measures the behaviour of the material under increasing stress, first
without, and then with the addition of absorbed hydrogen. A detailed description of such a methodology
is given in 9.2.2.
Material strength (i.e. tensile strength and/or hardness) has a first order effect on HE susceptibility
of steel. As strength increases, steel becomes harder, less ductile, less tough and more susceptible
to hydrogen damage. The susceptibility of steel fasteners increases significantly when the specified
[17]
hardness is above 390 HV . This increase in susceptibility is characterized by a ductile-brittle
transition, whereby the material rapidly loses its ductility. The ductile-brittle transition can occur over
[17]
a narrow range of increasing hardness . See Figure 5.
8 © ISO 2019 – All rights reserved
Key
X hardness (HV)
Y normal scatter range - percent notch fracture strength (NFS )
%
a
Not susceptible.
b
Ductile-brittle transition (transition begins as hardness is increased above 390 HV).
c
Susceptible [high probability of failure by hydrogen embrittlement (HE)].
d
Acceptance threshold for fasteners.
Figure 5 — Scatter range of a model HE threshold stress curve for zinc electroplated notched
[36]
square bars tested in air under four-point bending load
Up to hardness of 390 HV (left part of Figure 5), steel does not exhibit any loss of fracture strength: in
other words, it is not embrittled.
Above 390 HV (right part of Figure 5), a ductile brittle transition occurs as hardness is increased. The
start of the ductile-brittle transition is dependent on the microstructural characteristics of the specific
[36][12]
steel alloy and the concentration of available hydrogen .
Steel fasteners with a specified hardness up to 390 HV, such as fasteners of property class 10.9 in
[6]
accordance with ISO 898-1 , have no significant susceptibility to hydrogen embrittlement failure.
In other words, these steel fasteners can tolerate the presence of hydrogen without any delayed
degradation of their mechanical strength. This assertion assumes that the fasteners are produced
by using appropriately selected steel, well-controlled steel making and fastener manufacturing
[12][17]
processes .
[18]
To minimize the risk of internal hydrogen embrittlement (IHE), ISO 4042 and ASTM F1941/
[19]
F1941M , which are the recommended standards for electroplated fasteners, classify susceptible
fasteners requiring mandatory baking as those having minimum specified hardness above 390 HV. The
mandatory baking limit of 390 HV is based on both scientific research (see Figure 5) and longstanding
fastener industry practice. These standard specifications also require appropriate process control
measures and test methods as additional tools for minimizing the risk of IHE.
NOTE Some coating specifications have defined hardness limits for mandatory baking that are lower than
390 HV. However, these lower limits are not supported by data and were originally adopted as a matter of
precaution.
[20]
To minimize the risk of environmental hydrogen embrittlement (EHE), ISO 898-1:2013, Table 2
contains a cautionary footnote warning about the risk of stress corrosion cracking for property class
12.9 fasteners for which the specified hardness range is 385 HV to 435 HV.
The scatter range shown in Figure 5 is caused by second order effects related to alloy composition
and microstructure of quenched and tempered steel that affect hydrogen transport and trapping.
Therefore, above 390 HV, for a given concentration of hydrogen, the critical hardness value above which
the ductile-brittle transition begins can vary. Hardness alone is not enough to predict these second
order effects. Measuring hardness, essentially quantifying local plasticity, is a quick and useful test to
estimate strength. Hardness is achieved by the combined effects of composition and heat treatment
that is specific to each steel alloy. In a tempered martensite structure, the same hardness can be
achieved by different combinations of composition and heat treatment, resulting in slightly different
microstructures, each characterized by slightly different stress-strain curves and slightly different
hydrogen transport and trapping characteristics. The scatter range depicted in Figure 5 represents
the normal range of susceptibility (i.e. lowest to highest susceptibility) as was determined from HE
[12]
threshold stress measurements of 10 different steel alloys at 4 hardness levels .
9.2.2 Defects and other conditions causing abnormal material susceptibility
Beyond normal variations of metallurgical structure described above, non-homogeneity of the
microstructure resulting from poorly controlled heat treatment and high occurrence of non-metallic
[11][21][22]
inclusions can cause an unpredictable, but measurable, increase in HE susceptibility of steel .
Heat treatment is the single most consequential process to achieve the required metallurgical structure
and physical properties of fasteners. Not surprisingly, the root cause of HE failures with fasteners that
are not normally considered susceptible is often linked to improper heat treatment. Consequences
of improper heat treatment include higher than expected hardness, unintended carburization and/
or incomplete martensite transformation. Therefore, it is imperative that the heat treatment process
produces fasteners that satisfy the explicit and implicit requirements specified in material standards,
such as adequate though-hardening, homogeneity of micro-structure and non-carburization.
Poorly controlled and non-homogeneous microstructures are typically characterized by low toughness.
[20]
Consequently, measurement of impact strength (e.g. in accordance with ISO 898-1) can be a useful
test to detect fasteners with aberrant microstructures.
Finally, when raw material is phosphate coated prior to cold forming, phosphorous diffusion at the
surface of the finished fastener can occur during austenitizing, producing a phosphorous enriched
white layer (δ-ferrite) and phosphorous segregation that can weaken the grain boundaries. With high
strength fasteners, this phenomenon can result in brittle intergranular cracking at the surface of the
fastener. The propensity to brittle intergranular cracking increases with increasing hardness. Although
brittle intergranular cracking by this mechanism happens in absence of hydrogen, once a crack has been
initiated, it can propagate with hydrogen assistance as described in Clause 8. Phosphorous diffusion
is mitigated by washing the fasteners before quenching and tempering to remove phosphate located
on the surface (i.e. de-phosphating). De-phosphating of property class 12.9 fasteners is mandatory in
[23][24][25]
ISO 898-1 .
9.2.3 Methodology for measuring HE threshold stress
The susceptibility of a material to hydrogen damage is characterized (i.e. measured) by its hydrogen
embrittlement threshold stress. The chart shown in Figure 5 is based on measured HE threshold stress
values that are expressed as a ratio of the baseline strength of the material. This ratio is known as
percent notch fracture strength (NFS ). The more a sample is hydrogen embrittled, the lower its HE
%
threshold stress, and the lower resulting NFS from the baseline strength of the sample (represented
%
[26][27]
by 100 NFS ) .
%
The data represented in Figure 5 were developed by testing material specimens shaped as single edge
notch square bars, illustrated in Figure 6. Dimensional specifications for the test specimens are given
[28]
in ASTM F519 (type 1e geometry) . The radius at the root of the notch is intended to simulate the
[12]
thread of a fastener . However, the square bar geometry is tailored for loading the specimen in
10 © ISO 2019 – All rights reserved
4-point bending, which generates higher stress than a test performed in tension using a notch round
bar specimen. Figure 6 also shows a simplified schematic of the bending load frame.
In brief, the loading method consists of incrementally increasing the load applied to the specimen.
This mode of loading is known as incremental step loading (ISL) and represents a modified form slow
strain rate loading (SSRL). The test methodology is designed to measure the HE cracking threshold of
the material, which is a measure of material susceptibility. The addition of hydrogen in the sample is
achieved by prior charging, such as exposure to an electroplating process (IHE), or during the test in
an environmental chamber where the sample is immersed in a 3,5 % mass fraction NaCl solution, and
where a potentiostat is used to impose the cathodic potential. The imposed potential and the resulting
[26]
current density control the quantity of hydrogen being introduced into the specimen .
The bending mode of applying load makes the test very severe and offers the benefit of increased
sensitivity for measuring the effect of changing variables. For the given notch radius, the applied
[29]
concentration of stress in bending is greater than stress generated in tension by a factor of 1,65 .
Given the increased severity of the test method, results must be translated to determine if a fastener
under normal service condition (i.e. loaded in tension), and exposed to similar hydrogen conditions,
will suffer hydrogen embrittlement. The acceptance threshold for fasteners (illustrated as the dashed-
line in Figure 5) is defined as the threshold above which a fastener under equal conditions (i.e. same
material and hydrogen concentration), but loaded in tension instead of being loaded in bending, will not
suffer hydrogen embrittlement. To determine the acceptance threshold for fasteners which are used in
tension, 100 NFS in bending is multiplied by a factor of 1/1,65 to convert the bending stress condition
%
to an equivalent tensile stress condition. By this conversion, 60 NFS in bending corresponds to the “no
%
[29]
risk” acceptance threshold for fasteners made of the same material .
Figure 6 — Dimensional specifications of ASTM F519 (Type 1e) single notch bend square bar
and schematic of loading frame showing the bending motion being applied to a test specimen
9.3 Tensile stress
Load induced stress is a normal service condition for fasteners. Tensile loaded fasteners such as bolts
and screws are primarily subject to tensile stress and a varying amount of torsional stress during
tightening. In some cases, fasteners can be subject to shear loads, typically in the unthreaded shank.
In some rare but critical cases, fasteners can also be subject to unintended bending loads. Given time,
tensile stress in the fastener can result in HE failure provided it exceeds the HE threshold stress of the
material. Hydrogen embrittlement threshold stress is defined as the critical stress below which HE does
NOT occur. As was described in 9.2.3, HE threshold stress is a measure of the degree of susceptibility
of a material for a given quantity of available hydrogen. Time to failure is dependent on the amount by
which the HE threshold stress is exceeded. Time to failure decreases with increasing stress.
The applied stress in a bolt or screw is a function of the loading conditions in the joint. These loading
conditions are a combination of joint design (i.e. service loads) and installation preload of the fastener.
Usually, bolts are installed to preloads ranging from 50 % to 100 % of the yield strength. For property
class 10.9 fasteners which have no significant susceptibility to IHE, this amount of loading is below the
HE threshold stress of the material. However, if these fasteners have hardness above the specified limit
or other defects such as poor microstructure and low toughness (see 9.2.2), they can exhibit abnormally
low HE threshold stress which is below the stress resulting from normal installation preload. Under
these conditions, given the same concentration of hydrogen and normal installation preload, the
probability of exceeding the HE threshold stress of the material becomes significantly greater, thus
increasing the risk of hydrogen assisted cracking (HAC).
NOTE As with all failure mechanisms, HAC is normally initiated at the points of greatest concentration
of stress:
— in the case of bolts and screws, this corresponds to the fillet radius under the head, the thread runout, or the
root of the first engaged thread;
— in the case of nuts, the distribution of load in internal threads makes it significantly less likely that the HE
threshold stress can be exceeded; consequently, HE failure of a nut, although possible, is extremely rare;
— in the case of non-flat washers, a significant tensile stress amount is present as the washer is compressed;
it is not unusual for electroplated high-hardness elastic washers to fail due to HAC, unless they are
adequately baked.
Unintended geometrical irregularities such as angles, sharp radii, unintended surface discontinuities
or pits can arise from poor fastener design, poor manufacturing, over-pickling or corrosive service
conditions. Notably, poor radii and thread laps at the thread root are highly localized concentrators of
stress. These irregularities can often lead to unexpected crack initiation, thus exacerbating the stress
condition, particularly for a material that is already susceptible to HE.
9.4 Atomic hydrogen
9.4.1 Sources of hydrogen
There are two possible sources of hydrogen: internal and environmental.
9.4.2 Internal hydrogen
Steel inherently retains a small amount of residual hydrogen as it is produced. Even with advanced
vacuum degassing techniques, steel of standard quality contains hydrogen concentrations roughly in
the order of 1 ppm. This residual hydrogen is not normally cause for concern because it is typically in
a trapped state. Internal hydrogen can also be introduced into fasteners during their manufacturing
processes. For example, during austenitizing or carburizing, hydrogen can be absorbed by the fasteners.
However, it is subsequently “baked out” during tempering. In a steel fastener that has been properly
[12][30]
quenched and tempered, any remaining residual hydrogen is typically trapped and innocuous .
NOTE 1 Secondary processes such as welding can also introduce hydrogen into the heat affected zone.
The relevant manufacturing processes to consider with respect to internal hydrogen embrittlement are
primarily coating processes and related surface cleaning and preparation processes (e.g. pickling). The
reasons these processes are critical is that they are the final manufacturing steps, and coating materials
(e.g. zinc) act as a barrier to hydrogen effusion, i.e. the coating prevents or impedes hydrogen’s natural
[31]
tendency to diffuse out of the steel at room temperature .
12 © ISO 2019 – All rights reserved
Typical cleaning for electroplating comprises hot alkaline degreasing followed by electrolytic (i.e.
anodic) alkaline cleaning and inhibited acid pickling. Acid pickling is a significant source of hydrogen in
coating processes. Therefore, a suitable inhibitor and minimum cleaning cycle time should be used to
minimize the risk of internal hydrogen embrittlement (IHE). For fasteners with hardness greater than
390 HV, such as property class 12.9 fasteners, special pre-treatments are advisable using non-acidic
methods such as mechanical or alkaline cleaning.
Inhibitors reduce corrosive attack on the steel and the generation and/or absorption of hydrogen.
Quenched and tempered steel fasteners should ideally be supplied with a surface that can be cleaned
with a minimum immersion duration when acid pickling is used.
Cathodic cleaning is a source of hydrogen; it should be avoided for fasteners with hardness above 390 HV.
Electroplating processes generate hydrogen; however, the amount of hydrogen absorbed by the
fasteners is not equal to the quantity of hydrogen generated by electrolysis. The amount of hydrogen
which can be absorbed depends on the process type (e.g. alkaline zinc, acid zinc, zinc alloy) and process
[31]
parameters (e.g. current density, electroplating duration, rack/barrel) . The most important factor
that influences the quantity of hydrogen that remains in a fastener is permeability of the coating to
[31][32]
hydrogen diffusion . The permeability of the coating determines if it allows hydrogen to diffuse
into the steel during electroplating as the coating layer thickens, and later if the coating is an effective
barrier that blocks hydrogen effusion, thus forcing it to remain in the fastener.
Studies have shown that there is no risk of IHE for phosphate coated property class 12.9 fasteners when
[23]
left at ambient temperature for more than 24 hours, because phosphate coatings are very porous .
Similarly, studies have shown that the risk of IHE is significantly lower for aerospace LHE-Cd cadmium
electroplating and certain zinc-nickel (Zn-Ni) electroplating processes containing 12 % to 16 %
[32]
nickel . The principal reason is that such coatings are more permeable than zinc (Zn) or zinc-iron
(Zn-Fe) electroplated coatings.
Common industry practice is to bake the fasteners after the coating process to extract any
...
RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 20491
Première édition
2019-02
Fixations — Principes de la
fragilisation par l'hydrogène pour les
fixations en acier
Fasteners — Fundamentals of hydrogen embrittlement in steel
fasteners
Numéro de référence
©
ISO 2019
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Publié en Suisse
ii © ISO 2019 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Abréviations et symboles . 4
5 Description générale de la fragilisation par l’hydrogène . 4
6 Mécanisme d'endommagement par l'hydrogène . 4
7 Morphologie de la rupture . 5
8 Conditions à la pointe d'une fissure . 7
9 Conditions d'une rupture due à la fragilisation par l’hydrogène . 7
9.1 Cause première et facteurs déclencheurs pour une rupture due à la fragilisation
par l’hydrogène . 7
9.2 Susceptibilité du matériau . 8
9.2.1 Généralités . 8
9.2.2 Défauts et autres conditions engendrant une susceptibilité anormale du
matériau .10
9.2.3 Méthodologie pour la mesure du seuil de contrainte à la FPH .11
9.3 Contrainte de traction .12
9.4 Hydrogène atomique .13
9.4.1 Sources d’hydrogène .13
9.4.2 Hydrogène interne .13
9.4.3 Hydrogène externe (environnemental) .14
10 Fixations cémentées .14
11 Galvanisation à chaud et effet de «sur-trempe» .16
12 Relaxation des contraintes avant revêtement électrolytique .17
13 Fixations à filetage roulé après traitement thermique .18
14 Méthodes d'essai pour la fragilisation par l'hydrogène .18
15 Dégazage .19
Bibliographie .21
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www .iso .org/avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 2, Fixations, sous-comité SC 14,
Revêtements de surface.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/fr/members .html.
iv © ISO 2019 – Tous droits réservés
Introduction
Les fixations en acier à haute résistance pour applications mécaniques sont généralement caractérisées
par une résistance à la traction (R ) supérieure à 1 000 MPa, elles sont souvent utilisées dans des
m
applications critiques, telles que des ponts, des moteurs de véhicules, des avions, pour lesquelles la
rupture d’une fixation peut avoir des conséquences catastrophiques. La prévention des ruptures et la
gestion du risque de Fragilisation Par l’Hydrogène (FPH) sont des considérations fondamentales qui
impliquent l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement des fixations, notamment l'aciériste, le fabricant
des fixations, l'applicateur du revêtement, l'ingénieur d'application, le concepteur d'assemblages, et tout
autre intervenant jusqu'à l'utilisateur final.
La fragilisation par l'hydrogène est étudiée depuis des décennies, mais la nature complexe des
phénomènes de fragilisation par l’hydrogène et les nombreuses variables ne permettent pas de prévoir
la survenue de ruptures de fixations. Des recherches sont généralement menées dans des conditions
simplifiées et/ou idéalisées qui ne peuvent pas être réellement traduites comme savoir-faire à prescrire
dans les spécifications et normes de fixations, et les pratiques industrielles.
Ces circonstances sont de plus compliquées par des spécifications ou normes qui sont parfois
insuffisantes et parfois inutilement alarmistes. Les incohérences, voire les contradictions, dans les
normes de fixations pour l’industrie ont conduit à une grande confusion et à un certain nombre de
ruptures de fixations qui auraient pu être évitées. Le fait que la FPH soit très souvent considérée à tort
comme étant la cause principale d'une rupture, contrairement à ce qu'elle est à savoir un mécanisme de
défaillance, reflète bien cette confusion.
RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 20491:2019(F)
Fixations — Principes de la fragilisation par l'hydrogène
pour les fixations en acier
1 Domaine d'application
Le présent document présente les connaissances les plus récentes relatives à la fragilisation par
l’hydrogène sous forme de know-how, transcrite d’une façon complète, facilement accessible et
directement applicable aux fixations en acier.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http: //www .electropedia .org/
3.1
dureté
résistance d’un métal à une déformation plastique, habituellement par indentation ou pénétration d’un
objet solide (en surface ou à cœur)
3.2
écrouissage
augmentation de la résistance mécanique et de la dureté (3.1) lorsqu’un métal est déformé plastiquement
à température ambiante (par laminage, tréfilage, étirage, rétreint, frappe, extrusion, etc.) qui induit
également une diminution de la ductilité
3.3
traitement thermique
cycle d’opérations (chauffage, maintien en température puis refroidissement contrôlés) appliqué à un
métal ou alliage à l’état solide, afin d’obtenir une transformation maîtrisée et homogène de la structure
du matériau et/ou de lui conférer des propriétés physiques ou mécaniques particulières
Note 1 à l'article: Les procédés de trempe et revenu, recuit, cémentation et relaxation des contraintes sont des
exemples de traitement thermique pour les fixations.
3.4
trempe et revenu
QT (Quenching and Tempering)
procédé de traitement thermique (3.3) de trempe, comprenant une austénitisation puis un
refroidissement rapide réalisé dans des conditions telles que l’austénite se transforme plus ou moins
complètement en martensite (et éventuellement en bainite), suivi d’une nouvelle chauffe à une
température spécifique et sur une période de temps contrôlées puis d’un refroidissement, afin d’obtenir
le niveau requis de caractéristiques mécaniques ou physiques
3.5
cémentation
procédé de traitement thermochimique d’enrichissement en carbone ou de carbonitruration suivi d’une
trempe, provoquant une augmentation de la dureté (3.1) de la surface de l’acier des fixations
Note 1 à l'article: Ce procédé est utilisé pour les vis à tôle, les vis autoformeuses, autoperceuses, etc.
3.6
relaxation des contraintes
procédé de traitement thermique (3.3) où les fixations sont chauffées à une température prédéfinie
et maitrisée suivi d’un refroidissement lent, afin de de diminuer les contraintes résiduelles dues à
l’écrouissage (3.2)
3.7
dégazage
procédé de chauffage des fixations pendant une durée déterminée à une température donnée, de façon
à minimiser le risque de fragilisation par l’hydrogène interne (3.15)
[SOURCE: ISO 1891-2:2014, 3.4.11]
3.8
amorce de rupture
début de fissuration avant rupture (3.10) sans séparation complète
[SOURCE: ASTM F2078-15, modifiée — en anglais, "line" a été remplacé par "beginning"]
3.9
défaillance
perte de la capacité d’une fixation à remplir une fonction spécifiée, qui dans certains cas peut aller
jusqu’à la rupture (3.10) complète
3.10
rupture
casse survenant lorsque la déformation plastique dans une fixation augmente localement au-delà de
sa limite de résistance, provoquant la séparation de la fixation en un au plusieurs morceaux, lors d’un
essai ou en service
3.11
faciès de rupture
structure et aspect de la surface fracturée
3.12
ductile
caractérisé par une déformation plastique importante avant rupture (3.10) qui induit une surface de
rupture irrégulière avec une morphologie en cupule d'aspect fibreux, habituellement terne ou mat
3.13
fragile
caractérisé par le peu d’aptitude à une déformation plastique ou l’absence de déformation plastique
avant rupture (3.10) qui induit une surface de rupture plane avec une morphologie de décohésion
intergranulaire, d’aspect habituellement brillant
Note 1 à l'article: Pour une rupture fragile le long des plans de clivage, le terme rupture transgranulaire est
utilisé.
Note 2 à l'article: Pour une rupture fragile avec séparation aux joints de grains d’austénite, le terme rupture
intergranulaire est utilisé.
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3.14
fragilisation par l’hydrogène
FPH
perte irréversible de ductilité d’un métal ou d’un alliage provoquée par l’hydrogène atomique, sous
l'effet de contraintes de traction dues à une charge ou à des contraintes résiduelles, qui peut conduire à
[1]
une rupture (3.10) fragile (3.13) après un certain temps
Note 1 à l'article: Dans le contexte de la description de la fragilisation par l'hydrogène des fixations en acier à
haute résistance, le terme «hydrogène» fait référence à l'hydrogène atomique et non au gaz moléculaire H .
[SOURCE: ISO 1891-2:2014, 3.4.9, modifiée – La note 1 à l’article a été ajoutée]
3.15
fragilisation par l’hydrogène interne
IHE (Internal Hydrogen Embrittlement)
fragilisation provoquée par de l’hydrogène résiduel issu des procédés de fabrication, entraînant une
rupture fragile différée sous l’effet de contraintes de traction dues à une charge ou à des contraintes
résiduelles
[SOURCE: ISO 1891-2:2014, 3.4.10]
3.16
fragilisation par l’hydrogène externe (environnemental)
EHE (Environmental Hydrogen Embrittlement)
fragilisation provoquée par les atomes d’hydrogène absorbés provenant de l'environnement
d’utilisation, entraînant une rupture fragile différée des fixations sous l’effet de contraintes de traction
(contraintes induites par une charge ou contraintes résiduelles)
[SOURCE: ISO 1891-2:2014, 3.4.13, modifiée — "(environnemental)" a été ajouté conformément à la
norme de vocabulaire en vigueur]
3.17
seuil de contrainte à la fragilisation par l’hydrogène
contrainte critique en dessous de laquelle la fragilisation par l’hydrogène (3.14) ne se produit pas, et
représentant le degré de susceptibilité d’un acier par rapport à une quantité d’hydrogène disponible
3.18
corrosion sous contrainte
SCC (Stress Corrosion Cracking)
catégorie de fragilisation par l’hydrogène externe (environnemental) (3.16) pour laquelle la défaillance
(3.9) se produit en service par fissuration, sous l’action combinée de l’hydrogène issu de la corrosion et
de l'effet des contraintes de traction
[SOURCE: ISO 1891-2:2014, 3.4.14]
3.19
diffusion de l’hydrogène
propagation de l’hydrogène et interaction avec les défauts de la microstructure de l’acier (lacunes,
dislocations, précipités, inclusions, joints de grains, etc.) qui constituent des sites de piégeage dans le
matériau de la fixation: pièges dits irréversibles (caractérisés par leur forte énergie de piégeage et une
faible probabilité d’effusion de l’hydrogène) et pièges dits réversibles (caractérisés par leur faible énergie
de piégeage et une effusion de l’hydrogène plus facile)
3.20
effusion de l’hydrogène
migration de l’hydrogène du cœur du matériau vers l’extérieur de la fixation, se produisant de façon
naturelle à température ambiante du fait d’un gradient de concentration, ou sous l’action d’un effet
thermique [par exemple dégazage (3.7)]
4 Abréviations et symboles
EHE fragilisation par l’hydrogène environnemal (Environmental Hydrogen Embrittlement)
HAC fissuration assistée par l'hydrogène (Hydrogen Assisted Cracking)
FPH Fragilisation Par l’Hydrogène
HELP plasticité locale augmentée par l'hydrogène (Hydrogen Enhanced Local Plasticity)
HIC fissuration induite par l'hydrogène (Hydrogen Induced Cracking)
IHE fragilisation par l’hydrogène interne (Internal Hydrogen Embrittlement)
SCC corrosion fissurante sous contrainte (Stress Corrosion Cracking)
5 Description générale de la fragilisation par l’hydrogène
En général, la fragilisation par l'hydrogène est subdivisée en deux grandes catégories en fonction de
la source d'hydrogène: la fragilisation par l'hydrogène interne (IHE) et la fragilisation par l'hydrogène
externe (EHE). L’IHE est causée par de l'hydrogène résiduel provenant de la fabrication de l'acier et/ou
d'étapes de fabrication, telles que le décapage chimique et le revêtement électrolytique. L’EHE est causée
par de l'hydrogène s’introduisant dans le métal à partir de sources externes (environnementales) alors
qu'il est sous contrainte, ce qui est le cas par exemple pour une fixation en service.
Le terme corrosion fissurante sous contrainte (SCC) est couramment utilisé par rapport à l’EHE qui
survient lorsque l'hydrogène est un sous-produit résultant de la corrosion de surface absorbé par la
fixation en acier. L'absorption d'hydrogène cathodique est une forme de SCC. L'absorption d'hydrogène
cathodique se produit en présence de revêtements métalliques, tels que le zinc ou le cadmium, qui de
par leurs propriétés sacrificielles sont conçus pour se corroder afin de protéger la fixation en acier
de la rouille. Si l'acier sous-jacent est exposé, le processus de réduction se produisant à la surface
de l'acier exposé entraîne simultanément un dégagement d'hydrogène dans des quantités qui sont
significativement plus élevées que dans le cas d'un acier non revêtu.
Les termes «défragilisation» et «refragilisation» sont également utilisés dans le domaine aéronautique
mais sont incorrects car la fragilisation est irréversible. La défragilisation est un contresens pour
décrire l’effet du dégazage, et la refragilisation est un contresens pour décrire l’effet de l’absorption
d’hydrogène en service ou par l’utilisation de liquides nettoyant pour la maintenance.
6 Mécanisme d'endommagement par l'hydrogène
L'acier à haute résistance est généralement défini comme ayant une résistance à la traction (R )
m
supérieure à 1 000 MPa. Lorsqu'un acier à haute résistance est soumis à des contraintes de traction,
comme c’est le cas avec une fixation à haute résistance sous charge de traction après serrage, la
contrainte provoque la diffusion (c’est-à-dire la migration) de l'hydrogène atomique à l'intérieur de
l'acier vers l'emplacement de la plus forte contrainte (par exemple au niveau du premier filet en prise
ou du rayon de raccordement sous tête de vis). Comme des concentrations de plus en plus importantes
d'hydrogène s'accumulent à cet endroit, l'acier qui est normalement ductile devient progressivement
fragile. Finalement, la concentration de contraintes et d'hydrogène en une même zone génère une
microfissure (fragile) assistée par l'hydrogène. La microfissure fragile continue à se développer au fur
et à mesure que l'hydrogène progresse en suivant la pointe de la fissure, jusqu'à ce que la charge de
rupture de la fixation soit dépassée et qu’elle finisse par se rompre. Ce phénomène est souvent appelé
Fissuration assistée par l'hydrogène (HAC) ou Fissuration induite par l'hydrogène (HIC). Le mécanisme
d'endommagement par l'hydrogène, tel que décrit, provoque la rupture de la fixation à des valeurs
de contrainte qui sont significativement inférieures à la résistance d’origine de la fixation, telle que
[1][2]
déterminée au moyen d’un essai de traction normalisé .
4 © ISO 2019 – Tous droits réservés
Des modèles théoriques qui décrivent les mécanismes d'endommagement par l'hydrogène dans des
[2]
conditions idéalisées sont proposés depuis les années 1960 . Dans le cas d’aciers à haute résistance,
[3]
ces modèles sont principalement basés sur deux théories complémentaires, de décohésion et de
[4][5][6]
plasticité locale augmentée par l'hydrogène (HELP) . Étant donné la complexité des phénomènes
[7]
de FPH, les modèles d'endommagement par l'hydrogène continuent d'évoluer et d'être affinés . Une
analyse approfondie des théories d'endommagement par l'hydrogène est hors domaine d'application du
présent Rapport technique. Cependant, des informations détaillées sont données dans les références
listées en Bibliographie.
Les «pièges» à hydrogène se réfèrent à des défauts métallurgiques dans la microstructure de l'acier,
tels que des joints de grains, des dislocations, des précipités, des inclusions, etc., auxquels des atomes
[8]
d'hydrogène peuvent se fixer . L'hydrogène ainsi «piégé» n'est plus libre de diffuser (c'est-à-dire de
migrer) vers des zones de fortes contraintes où il peut participer au mécanisme de la HAC. Les pièges
sont généralement classés comme réversibles ou irréversibles, en fonction de leurs énergies de liaison. Les
pièges réversibles sont caractérisés par de faibles énergies de liaison: en d'autres termes, l'hydrogène
se libère plus facilement du piège. Les pièges irréversibles sont caractérisés par de fortes énergies de
liaison: en d'autres termes, l'hydrogène requiert beaucoup d'énergie (par exemple sous l’effet d’une
montée en température ou de champ de contraintes) pour se libérer du piège. L'hydrogène qui n'est pas
piégé est libre de se déplacer dans le réseau cristallin du métal, il est appelé hydrogène mobile; il est
[9][10][11]
également dénommé hydrogène interstitiel ou diffusible .
7 Morphologie de la rupture
Avec des fixations en acier à haute résistance trempées et revenues, le faciès de rupture résultant
d'une fissuration assistée par l'hydrogène (HAC) est typiquement caractérisé par une morphologie
intergranulaire fragile, qui est causée par la ligne de propagation de la fissure qui suit les joints de grains
(Figure 1). La morphologie d'un faciès de rupture varie en fonction de la susceptibilité du matériau et du
degré de fragilisation. Les facettes clairement définies des grains (c’est-à-dire profils nets et anguleux)
et/ou une forte proportion d'éléments fragiles par rapport à ceux de nature ductile sont révélatrices
[12]
d'un haut niveau de fragilisation . La Figure 1 illustre un faciès de rupture qui est intergranulaire à
100 %, avec des facettes de grains bien visibles. Les matériaux moins susceptibles peuvent présenter
un faciès de rupture qui contient des morphologies mixtes intergranulaire et selon les plans de clivage
(c’est-à-dire transcristalline).
Avec une fixation sollicitée en traction, une fissuration fragilisante sous l’effet de l’hydrogène se
développe typiquement jusqu'à un point où la section transversale de de la fixation se réduit et ne peut
plus supporter la charge appliquée. À ce stade, la fixation se rompt rapidement (c’est-à-dire rupture
brutale). Un faciès de rupture normal correspondant à une rupture brutale est ductile, caractérisé par
la présence de cupules ductiles. La Figure 2 illustre un faciès de rupture où la propagation de la fissure
fragile assistée par l'hydrogène s'est arrêtée (c'est-à-dire à la pointe de la fissure finale) avant que la
rupture brutale ductile finale de la fixation ne se produise.
D'autres formes de rupture par fragilisation peuvent résulter de phénomènes non liés à la présence
d'hydrogène, comme la fragilité de revenu, la fragilité de trempe, les tapures de trempe, etc., et doivent
être distinguées des ruptures dues à la fragilisation par l’hydrogène. Ces autres types de fragilisation
peuvent présenter des faciès de rupture intergranulaires similaires, mais se distinguent principalement
de la fragilisation par l’hydrogène par le fait qu'ils ne sont pas fonction du temps.
Figure 1 — Faciès de rupture présentant clairement une morphologie intergranulaire
fragile à 100 % — Acier allié Cr-Mo (AISI 4135), trempé et revenu à 530 HV, avec revêtement
électrolytique de zinc
Figure 2 — Faciès de rupture présentant à la fois une morphologie intergranulaire fragile
résultant d'une HAC et une morphologie en cupules ductile, indicatrice de la rupture finale —
Acier allié Cr-Mo (AISI 4135) à 530 HV, avec revêtement électrolytique de zinc
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8 Conditions à la pointe d'une fissure
Une microfissure peut s’amorcer dans une fixation soumise à une charge, par plusieurs mécanismes qui
ne sont pas nécessairement liés à la HAC (par exemple, fatigue, surcharge, affaiblissement des liaisons
aux joints de grain par une ségrégation du phosphore). Cependant, une fois qu'une fissure est amorcée
par n’importe quel mécanisme y compris la HAC, les conditions à la pointe de la fissure, notamment
[13]
la concentration de contraintes, sont souvent beaucoup plus sévères que les conditions initiales .
La fissure peut se propager aisément par un seul ou par une combinaison de mécanismes qui tendent
à réduire la contrainte en pointe de fissure. S'il arrive qu'une quantité suffisante d'hydrogène soit
disponible pour interagir avec la pointe de la fissure, alors la propagation de la fissure peut être facilitée
par la HAC (voir Figure 3). Par exemple, même dans des matériaux à faible susceptibilité, une fissure
existante sous charge statique ou cyclique, exposée à un environnement corrosif, peut se propager en
[14][15]
partie à cause de la corrosion fissurante sous contrainte .
Légende
1 hydrogène atomique
2 propagation de la fissure
Figure 3 — Fissure pénétrante préexistante, entourée d'hydrogène atomique susceptible
d'interagir avec la pointe de la fissure et entraînant la propagation de la fissure assistée
par l’hydrogène
Dans le cas où la HAC est le mécanisme de microfissuration initiale, le temps avant rupture est
considérablement réduit du fait que l'hydrogène disponible continue d'interagir et de suivre la pointe
de la fissure en progression. Dans un tel scénario, la HAC est le mécanisme principal de rupture. Une
analyse de la fissuration est nécessaire pour distinguer le scénario où la HAC est le mécanisme de
microfissuration initiale de celui où le mécanisme de fissuration initiale n'est pas lié à la HAC. Le faciès
de rupture du dernier scénario peut néanmoins présenter un aspect intergranulaire, si de l'hydrogène
se libère pour interagir avec la pointe de la fissure; dans ce cas, la HAC est à considérer uniquement
comme un mécanisme de rupture secondaire.
9 Conditions d'une rupture due à la fragilisation par l’hydrogène
9.1 Cause première et facteurs déclencheurs pour une rupture due à la fragilisation
par l’hydrogène
Trois conditions fondamentales doivent être présentes de façon concomitante pour entraîner une
rupture due à la fragilisation par l’hydrogène (voir Figure 4):
— un état du matériau qui présente une susceptibilité à l’endommagement par l'hydrogène,
— des contraintes de traction (généralement résultant de l’application d’une charge, ou des
contraintes résiduelles), et
— de l'hydrogène atomique.
Si ces trois éléments sont présents de façon concomitante et en quantités suffisantes, avec le temps,
l'endommagement par l'hydrogène se traduit par l'amorçage d'une fissuration et son développement
jusqu'à la rupture. Le temps avant rupture peut varier en fonction de la sévérité des conditions et de la
source d'hydrogène. Les contraintes et l'hydrogène sont considérés comme les facteurs déclencheurs,
alors que la susceptibilité du matériau est la condition prérequise pour l’apparition de la FPH qui de ce
[16]
fait représente la cause première .
Figure 4 — Concomitance des trois conditions nécessaires pour qu'une rupture différée due
à la fragilisation par l’hydrogène (FPH) se produise
9.2 Susceptibilité du matériau
9.2.1 Généralités
La susceptibilité d’un matériau aux dommages dus à l’hydrogène est fonction de l'état du matériau, qui
est globalement défini par sa structure métallurgique et ses caractéristiques mécaniques, comme pour
l'acier. Analyser la susceptibilité du matériau est la base fondamentale pour la compréhension des
phénomènes de fragilisation par l’hydrogène.
Étant donné que la fragilisation par l’hydrogène provoque une perte de ductilité, et en conséquence une
perte de résistance, la base pour étudier et quantifier la susceptibilité d’un matériau aux dommages dus
à l’hydrogène commence avec des essais mécaniques. Ces essais mesurent le comportement du matériau
soumis à une contrainte progressive, d’abord en l'absence puis en présence d'hydrogène absorbé. La
description détaillée d’une telle méthodologie est donnée en 9.2.2.
La résistance du matériau (c’est-à-dire la résistance à la traction et/ou la dureté) a un effet de premier
ordre sur la susceptibilité de l’acier à la FPH. Avec l’augmentation de sa résistance, la dureté de l’acier
augmente, et il présente une ductilité et une ténacité moindres ainsi qu’une sensibilité plus importante
aux dommages dus à l’hydrogène. La susceptibilité des fixations en acier augmente significativement
[17]
lorsque la dureté spécifiée est supérieure à 390 HV . Cette augmentation de susceptibilité est
caractérisée par une transition ductile-fragile, avec pour conséquence une chute rapide de la ductilité
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du matériau. Cette transition ductile-fragile peut se produire pour une faible marge d’augmentation de
[17]
dureté . Voir Figure 5.
Légende
X dureté (HV)
Y plage de dispersion courante – pourcentage de résistance à la rupture de l’éprouvette entaillée (NFS )
%
a
Non susceptible.
b
Transition ductile-fragile (la transition débute lorsque la dureté est supérieure à 390 HV).
c
Susceptible (haute probabilité de défaillance due à la fragilisation par l’hydrogène (FPH)).
d
Seuil d’acceptation pour les fixations.
Figure 5 — Courbe-type de transition (seuil de contrainte à la FPH) présentant la plage
de dispersion pour des éprouvettes entaillées de section carrée, avec revêtement électrolytique
[36]
de zinc, sous charge de flexion appliquée en quatre points à l’air libre
Jusqu’à la dureté de 390 HV (partie gauche de la Figure 5), l’acier ne présente aucune perte de résistance
à la rupture: en d’autres termes il n’est pas fragilisé.
Au-delà de 390 HV (partie droite de la Figure 5), une transition ductile-fragile se produit en même
temps que la dureté augmente. Le début de la transition ductile-fragile dépend des caractéristiques
[36][12]
microstructurales de la nuance d’acier spécifiée et de la concentration d’hydrogène disponible .
Les fixations en acier d'une dureté spécifiée jusqu’à 390 HV, telles que les fixations de classe de
[6]
qualité 10.9 conformes à l'ISO 898-1 , ne présentent pas de susceptibilité significative à la rupture due
à la fragilisation par l’hydrogène. En d'autres termes, les fixations en acier peuvent tolérer la présence
d'hydrogène sans dégradation différée de leur résistance mécanique. Cela suppose néanmoins que
les fixations aient été produites à partir d'acier sélectionné de façon appropriée et élaboré dans des
[12][17]
conditions bien contrôlées, et par des procédés de fabrication des fixations bien maîtrisés .
[18]
Afin de minimiser le risque de fragilisation par l’hydrogène interne (IHE), l'ISO 4042 et l'ASTM F1941/
[19]
F1941M , qui sont les normes recommandées pour les fixations avec revêtement électrolytique,
classent les fixations dont la dureté minimale spécifiée est supérieure à 390 HV dans les fixations
susceptibles nécessitant un dégazage obligatoire. La limite de dégazage obligatoire à partir de 390 HV
est basée à la fois sur des recherches scientifiques (voir Figure 5) et sur les pratiques industrielles
adéquates établies de longue date. Ces spécifications standards exigent des procédures de contrôle
des procédés de fabrication et méthodes d’essai appropriées, qui sont des outils complémentaires pour
minimiser le risque d’IHE.
NOTE Certaines spécifications liées aux revêtements présentent des limites de dureté inférieures à 390 HV
par rapport au dégazage obligatoire. Cependant, ces limites moindres ne sont pas étayées par des données mais
ont été adoptées initialement à titre de précaution.
Afin de minimiser le risque de fragilisation par l’hydrogène externe (environnemental, EHE),
[20]
l’ISO 898-1:2013, Tableau 2 contient une note de mise en garde sur le risque de corrosion fissurante
sous contrainte, pour les fixations de classe de qualité 12.9 ayant une plage de dureté spécifiée de
385 HV à 435 HV.
La plage de dispersion illustrée à la Figure 5 est le résultat d’effets de second ordre relatifs à la
composition et à la microstructure des nuances d’acier trempé et revenu qui affectent la mobilité de
l’hydrogène et son piégeage. De ce fait au-delà de 390 HV et pour une concentration donnée d’hydrogène,
la valeur critique de dureté au-delà de laquelle la transition ductile-fragile débute peut varier. La dureté
seule est insuffisante pour prédire ces effets de second ordre. Le mesurage de la dureté, qui permet
essentiellement de quantifier la plasticité de façon locale, est un essai rapide et pratique pour estimer la
résistance. La dureté est obtenue par les effets combinés de la composition chimique et du traitement
thermique qui est spécifique à chaque nuance d’acier. Pour une structure de trempe martensitique, la
même dureté peut être obtenue pour différentes combinaisons de composition chimique et traitement
thermique induisant des microstructures légèrement différentes, chacune caractérisée par une courbe
contrainte-déformation légèrement différente et des caractéristiques de mobilité et piégeage de
l’hydrogène légèrement différents. La plage de dispersion illustrée à la Figure 5 représente la plage
courante de susceptibilité (c’est-à-dire de la plus faible à la plus haute susceptibilité) comme cela a été
déterminé à partir de la mesure du seuil de contrainte à la FPH de 10 nuances d’acier différentes et pour
[12]
4 niveaux de dureté .
9.2.2 Défauts et autres conditions engendrant une susceptibilité anormale du matériau
Outre les variations normales de la structure métallurgique décrite ci-dessus, la non-homogénéité de la
microstructure résultant d'un traitement thermique mal maîtrisé, et la présence de nombreuses inclusions
non métalliques peuvent augmenter la susceptibilité de l'acier à la fragilisation par l’hydrogène dans
[11][21][22]
des proportions qui sont mesurables mais imprévisibles . Le traitement thermique est l’étape
la plus critique pour l’obtention de la structure métallurgique et des caractéristiques mécaniques et
physiques requises pour les fixations. Sans surprise, la cause première de rupture par FPH des fixations
qui ne sont pas considérées comme normalement susceptibles est très souvent liée à un traitement
thermique inapproprié. Un traitement thermique inapproprié peut se traduire par une dureté supérieure
à celle attendue, une carburation accidentelle et/ou une transformation martensitique incomplète. C'est
pourquoi il est impératif que le processus de traitement thermique produise des fixations qui satisfont
aux exigences explicites et implicites spécifiées dans les normes relatives aux matériaux, telle qu’une
trempe effectuée de façon adéquate jusqu’au cœur de la pièce, l’homogénéité de la microstructure, et la
non-carburation.
Une microstructure mal maîtrisée et non homogène est typiquement caractérisée par une ténacité
[20]
faible. En conséquence, la mesure de la résilience (par exemple conformément à l’ISO 898-1) peut
être utile pour détecter des fixations avec des microstructures anormales.
Enfin, lorsque le matériau est phosphaté avant la déformation à froid, une diffusion du phosphore à
la surface de la fixation finie peut se produire pendant l’austénitisation, générant une couche enrichie
de phosphore blanc (ferrite δ) et la ségrégation du phosphore peut affaiblir les liaisons aux joints de
grains. Pour les fixations à haute résistance, ce phénomène peut induire une fissuration intergranulaire
fragile à la surface de la fixation. La propension à la fissuration intergranulaire fragile augmente avec
l’augmentation de la dureté. Même si la fissuration intergranulaire fragile induite par ce mécanisme se
produit en l’absence d’hydrogène, une fois la fissuration amorcée elle peut se propager avec l’assistance
de l’hydrogène comme décrit à l’Article 8. La diffusion du phosphore est diminuée par une opération
de lavage des fixations avant trempe et revenu afin de retirer le phosphate de la surface (c’est-à-dire
déphosphatation). La déphosphatation des fixations de classe de qualité 12.9 est obligatoire dans
[23][24][25]
l’ISO 898-1 .
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9.2.3 Méthodologie pour la mesure du seuil de contrainte à la FPH
La susceptibilité d’un matériau aux dommages dus à l’hydrogène est caractérisée (c’est-à-dire mesurée)
par son seuil de contrainte à la fragilisation par l’hydrogène. Le graphique de la Figure 5 est basé sur des
valeurs de seuil de contrainte à la FPH mesurées qui sont exprimées en tant que ratio de la résistance
de base du matériau. Ce ratio est appelé pourcentage de résistance à la rupture de l’éprouvette entaillée
(NFS ). Plus un échantillon est fragilisé par l’hydrogène, plus le seuil de contrainte à la FPH est bas,
%
ainsi que le NFS en résultant calculé à partir de la résistance de base de l’échantillon (représenté par
%
[26][27]
100 NFS ) .
%
Les données présentées à la Figure 5 ont été obtenues au moyen d’essai d’échantillons de matériau, sous
la forme d’éprouvette entaillée de section carrée, illustrée à la Figure 6. Les dimensions des éprouvettes
[28]
sont données dans l’ASTM F519 (géométrie de type 1e) . Le rayon à la base de l’entaille est destiné
[12]
à simuler le filetage d’une fixation . Cependant, la géométrie carrée de la barre est adaptée pour
appliquer une charge de flexion en 4 points sur l’échantillon, ce qui génère un plus haut niveau de
contrainte par rapport à un essai qui serait réalisé en traction sur un échantillon en forme de barreau
cylindrique entaillé. La Figure 6 présente également un schéma simplifié du dispositif d’application de
la charge de flexion.
En résumé, la méthode de mise en charge consiste en une augmentation incrémentale de la charge
appliquée à l’échantillon. Ce mode de mise en charge est appelé chargement incrémental par palier (ISL
– Incremental Step Loading) et représente une forme modifiée du chargement à taux de déplacement
lent (SSRL – Slow Strain Rate Loading). La méthodologie d’essai est conçue pour mesurer le seuil de
fissuration du matériau par fragilisation à l’hydrogène, qui est une mesure de la susceptibilité du
matériau. Un chargement en hydrogène est effectué soit au préalable, par exemple au moyen d’un
procédé électrolytique (IHE), soit pendant l’essai dans une enceinte où l’échantillon est immergé dans
une solution de chlorure de sodium à 3,5 % en masse et dans laquelle un potentiostat est utilisé pour
imposer le potentiel cathodique. Le potentiel imposé et la densité de courant en résultant déterminent
[26]
la quantité d’hydrogène introduite dans l’échantillon .
Le mode d’application de la charge de flexion rend l’essai très sévère, au bénéfice d’une sensibilité accrue
permettant la mesure de l’influence des variables. Pour un rayon d’entaille donné, la concentration de
[29]
contraintes appliquées en flexion est accrue d’un facteur 1,65 par rapport à la contrainte générée
en traction. Étant donné la sévérité augmentée de la méthode d’essai, les résultats se doivent d’être
transposés pour déterminer si une fixation en condition d’utilisation normale (c’est-à-dire sous tension)
et exposée à des conditions similaires par rapport à l’hydrogène pourra subir une fragilisation par
l’hydrogène. Le seuil d’acceptation pour les fixations (représenté par la ligne en pointillés de la Figure 5)
est défini comme le seuil au-delà duquel la fixation ne sera pas sujette à la fragilisation par l’hydrogène
dans des conditions identiques (c’est à dire même matériau et même concentration en hydrogène), mais
sous une charge de traction au lieu d’une charge en flexion. Afin de déterminer le seuil d’acceptation
pour les fixations utilisées sous tension, 100 NFS en flexion est multiplié par un facteur de 1/1,65
%
qui convertit la contrainte de flexion en contrainte équivalente en traction. Du fait de cette conversion,
60 NFS en flexion correspond au seuil d’acceptation «pas de risque» de la fixation fabriquée dans le
%
[29]
même matériau .
Figure 6 — Dimensions des éprouvettes entaillées de section carrée selon l’ASTM F519
(type 1e) et schéma simplifié du dispositif d’application de la charge montrant le déplacement
en flexion appliqué à l’échantillon
9.3 Contrainte de traction
La contrainte résultant d'une charge est une condition d’utilisation normale pour les fixations. Les
fixations sous charge de traction, comme les vis, sont principalement soumises
...
Questions, Comments and Discussion
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