Hydrogen - material interactions in 3rd generation TRIP steels

Face aux normes environnementales de plus en plus exigeantes, l’allègement des véhicules est devenu un enjeu majeur pour l’industrie de l’automobile, qui cherche à réduire l’émission de gaz à effet de serre par la réduction de la consommation. C’est dans cette optique qu’ont été développés les aciers de 3ème génération à effet TRIP (TRansformation-Induced Plasticity). Ces aciers multiphasés contiennent une fraction importante d’austénite résiduelle (15 30 % mass.), qui peut se transformer en martensite au cours de la déformation. Cette caractéristique confère à ces aciers un très bon compromis résistance-ductilité. Au cours de leur procédé d’élaboration, ces aciers subissent un traitement thermique sous atmosphère réductrice et un électrozingage, deux étapes au cours desquelles de l’hydrogène peut être incorporé aux matériaux. L’hydrogène ainsi absorbé peut modifier les propriétés mécaniques des aciers et conduire à leur rupture prématurée.Ce travail de thèse vise à caractériser les phénomènes de diffusion et de piégeage de l’hydrogène incorporé au cours du procédé d’élaboration de deux aciers TRIP de 3ème génération et d’évaluer son impact sur les propriétés mécaniques de ces aciers. Il s’agit d’un acier austénito-ferritique riche en manganèse et en aluminium (Mn-Al) et d’un acier austénito-martensitique riche en manganèse et en silicium, trempé et revenu (« Quenched and Partitionned » - Q&P). L’incorporation de l’hydrogène au cours du traitement thermique et de l’électrozingage a été simulée par des chargements à hautes températures et à plus basse température (par voie cathodique), respectivement.Des essais de thermodésorption (TDS) couplés à des essais de perméation électrochimique ont permis une meilleure compréhension des phénomènes de diffusion et de piégeage de l’hydrogène dans ces aciers multiphasés. Il a été montré que la diffusion et le piégeage de l’hydrogène dépendent du mode de chargement de celui-ci, justifié par une cinétique de désorption à température ambiante plus lente et un piégeage plus profond identifiés dans le cas du chargement à hautes températures. La formation d’un nouveau type de piège a également été identifiée lorsque l’acier subit une transformation de phase en présence d’hydrogène. Les potentiels sites de piégeage identifiés sont : les sites interstitiels de l’austénite, les dislocations/interfaces et les défauts nouvellement créés au cours de la transformation de phase.Enfin, des essais de traction uniaxiale réalisés sur des éprouvettes plates pré-chargées en hydrogène ont montré une sensibilité de ces aciers vis-à-vis de l’hydrogène incorporé par voie cathodique.Lighter vehicles with lower fuel consumption and CO2 emissions became a major stake for the automotive industry. In this context, 3rd generation TRIP steels have been developed. These multiphase steels contain an important fraction of residual austenite (15 30 wt.%) which can transform into martensite under deformation. This characteristic give the steels a better compromise strength-ductility. During their elaboration, these steels are subjected to a heat treatment under reducing atmosphere and an electro-galvanisation, two steps during which hydrogen can enter the material. The absorbed hydrogen can modify the mechanical properties of the steels and lead to their premature failure.This work aims to characterize the diffusion and trapping of hydrogen incorporated during the elaboration process of two 3rd generation TRIP steels: an austenitic-ferritic Mn-Al steel and an austenitic-martensitic quenched and partitioned (Q&P) steel. The incorporation of hydrogen during the heat treatment and the electro-galvanisation has been simulated by high temperature and low temperature (cathodic) charging, respectively.Thermal desorption mass spectroscopy (TDMS) analyses combined with electrochemical permeation tests have permitted a better comprehension of diffusion/trapping phenomena in these multiphase steels. It has been showed that diffusion and trapping of hydrogen depends on its introducing mode: high temperature charging induces a slower desorption kinetic at room temperature and a deeper trapping of hydrogen in the microstructure. Transformation-induced defects have been identified when a phase transformation occurs with hydrogen in the steel. The potential trapping sites identified are: the interstitial sites of austenite, the dislocations/interfaces and transformation-induced defects.Finally, tensile tests realized on pre-charged samples have showed a sensitivity of these steels to cathodic hydrogen charging