Étude mécanistique de la fragilisation par l’hydrogène par traçage isotopique au tritium et micromécanique
Résumé
La fragilisation par l’hydrogène est une problématique centrale pour les matériaux structuraux utilisés dans les technologies de l’hydrogène et les systèmes de fusion nucléaire, où les isotopes de l’hydrogène interagissent avec les défauts microstructuraux sous chargement mécanique et irradiation. Comprendre les mécanismes de la fragilisation par l’hydrogène nécessite des approches expérimentales capables d’isoler, d’observer et de quantifier des interactions hydrogène-défauts aux échelles micro- et nanométriques.
Les travaux présentés reposent sur une approche expérimentale multi-échelle combinant essais micromécaniques et techniques de caractérisation sensibles aux isotopes de l’hydrogène. À petite échelle, des essais de micro-compression in situ sur des nanoparticules de palladium soumises à des cycles d’absorption et de désorption révèlent un adoucissement induit par l’hydrogène. Le cyclage favorise la nucléation et l’accumulation de dislocations, mettant en évidence le rôle de l’hydrogène dans la génération de défauts et les mécanismes de déformation plastique.
La détection fiable de l’hydrogène à l’échelle nanométrique constituant un enjeu majeur, le tritium est utilisé comme traceur isotopique non ambigu pour l’analyse par sonde atomique tomographique (SAT). Une étude de validation sur le titane démontre la capacité de la SAT à détecter et à suivre l’incorporation du tritium au cours du temps, en s’affranchissant de l’hydrogène de fond résiduel. Des analyses complémentaires par spectrométrie de masse d’ions secondaires en temps de vol (ToF-SIMS) et par désorption thermique (TDA) confirment l’absorption et la libération du tritium.
Sur la base de cette méthodologie, les effets des isotopes de l’hydrogène dans des aciers ferritiques-martensitiques à activation réduite pertinents pour la fusion, tels que l’EUROFER97, sont étudiés. Le chargement au tritium combiné à la SAT et à des essais de micro-compression in situ permet de corréler la distribution locale de l’hydrogène à la réponse mécanique et de distinguer les mécanismes de plasticité localisée assistée par l’hydrogène (HELP) et de décohésion assistée par l’hydrogène (HEDE). L’approche est également appliquée aux aciers renforcés par dispersion d’oxydes et aux matériaux irradiés par neutrons.
