c Rôle de l’hydrogène

L’hydrogène a souvent été évoqué comme responsable potentiel de l’effet du temps de maintien au voisinage de la température ambiante. Du fait qu’il diffuse sans difficulté dans les deux structures cristallines du titane à cette température, il peut interagir rapidement avec les dislocations sans en diminuer la mobilité, contrairement aux autres interstitiels comme en particulier l’oxygène dont la diffusion est quasiment négligeable.

Hack et Leverant (Hack, 1982) ont étudié l’effet du temps de maintien en fatigue sur l’IMI 685 à microstructure grossière en colonie de lattes (400 à 750 µm) à l’état de réception (40 ppm d’hydrogène) ou sur le même matériau chargé en hydrogène. Ils ont montré que l’augmentation du taux d'hydrogène de 40 à 140 ppm réduit la durée de vie en fatigue-fluage d'un facteur additionnel de 30 à température ambiante. Ils proposent donc un modèle de fragilisation par l’hydrogène interne qui s’accumulerait en tête des empilements de

dislocations qui se développent lors de la déformation viscoplastique liée au temps de maintien à charge maximale. Ces empilements sont limités par les frontières des colonies de

lattes de phase α (ex-joints de grains β). Près de ces têtes d’empilement riches en hydrogène,

une microfissure s’initierait et se propagerait alors par la formation et la fissuration d’hydrures en pointe de fissure, contribuant à la formation de facettes de quasi-clivage d’orientation proche de celle du plan basal.

L'effet de l'hydrogène interstitiel évoqué par Hack et Leverant a également été étudié par Evans (Evans, 1987 b) pour le même type de microstructure grossière avec des lattes de

phase α alignées de l'IMI 685, mais dans la gamme 10-50 ppm. Les résultats sont surprenants

puisqu'ils diffèrent de ceux obtenus précédemment par Hack et Leverant : ils suggèrent que la durée de vie, à la fois pour des essais de fatigue pure et des essais de fatigue-fluage, augmente avec la teneur en hydrogène. Evans suppose que cet accroissement de la durée de vie peut être attribué à un changement de la croissance des fissures courtes, par une meilleure résistance à la déformation plastique pour la plus forte teneur en hydrogène, sans en expliquer le mécanisme. Par contre, on retrouve dans cette étude le fait qu'un temps de maintien à contrainte maximale dans un essai de fatigue réduit de façon significative la durée de vie, et que l'amplitude de cette réduction augmente avec la contrainte maximale appliquée.

En 1995, Evans et Bache (Evans, 1995) étudient toujours le rôle de l’hydrogène dans

l’IMI 685 avec une microstructure en colonies de lattes de phase α alignées, mais pour des

teneurs en hydrogène variant cette fois-ci de 20 à 275 ppm. Leur travail met alors en évidence l’existence de plusieurs régimes de comportement suivant la concentration en hydrogène de l’alliage. Pour les concentrations inférieures à 100 ppm dans l’IMI 685 avec une microstructure grossière, l’hydrogène interstitiel affecte la réponse en déformation en facilitant le développement de bandes de glissement. Les premiers stades du développement de fissures de fatigue sous chargement de fatigue avec ou sans temps de maintien impliquent la séparation des bandes de glissement basal sous l’effet d’une contrainte en tension perpendiculaire au plan de glissement. Pour des concentrations en hydrogène supérieures ou égales à 100 ppm, les auteurs observent des ruptures prématurées en fatigue, probablement liées selon eux à la formation d’hydrures, avec des fissures se propageant le long des

interfaces α/β et aux anciens joints de grain β. Ce comportement peut être associé à une

sensibilité marquée au temps de maintien.

Ils retrouvent alors les conclusions de Shih et al. (Shih, 1988) qui ont étudié l’effet de

l’hydrogène sur la rupture de l’alliage α Ti-4% Al ainsi que le rôle de l’hydrure de titane dans

le mécanisme de rupture, en déformant in-situ dans un microscope électronique à haute tension équipé d’une chambre à atmosphère contrôlable. Ces auteurs ont observé deux mécanismes de rupture dans un environnement gazeux à température ambiante. :

- rupture par déformation plastique localisée activée par la présence d’hydrogène - rupture fragile de l’hydrure de titane dont la formation est induite par la contrainte. L’intensité des contraintes locales détermine quel est le mécanisme prépondérant. Pour les niveaux de contrainte élevés, les fissures se propagent grâce au mécanisme de plasticité localisée accélérée par l’hydrogène, alors que pour les niveaux de contraintes faibles, les hydrures de titane se forment au voisinage du fond de fissure et les fissures se propagent alors à travers les hydrures.

étudié par Hack et Leverant ainsi que Evans (IMI 685), confirme le fait que l’hydrogène ajouté en quantité modérée (<500 ppm dans le Ti-6246 ou <100 ppm dans l’IMI 685) stimule

la plasticité et provoque une localisation de la déformation aux interfaces α/β. Il reprend les

observations de Shih et indique que l’hydrogène favorise l’émission de dislocations en pointe de fissure, et accroît la mobilité des dislocations aussi bien coin que vis. L’action de l’hydrogène, dans le domaine des basses concentrations, consisterait en un écrantage des interactions dislocations - dislocations et mais aussi dislocations – autres interstitiels (O, N et C).

La raison pour laquelle la ductilité et la capacité de fluage à 20°C diminuent pour de plus fortes teneurs en hydrogène n’est pas claire, en l’absence de certitude sur la précipitation

d’hydrures. Toutefois, une trop forte location de la déformation aux interfaces α/β pourrait y

faire naître un endommagement nuisant à la ductilité de l’alliage.

Il faut toutefois remarquer que la majorité de ces études ont été réalisées sur des

alliages quasi-α de microstructures à gros ex-grains β et colonies de lattes α alignées, alors

que notre travail porte sur une microstructure plus fine en vannerie.