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Non-destructive evaluation of hydrogen embrittlement in cadmium-plated high strength steel using ultrasonic surface waves and eddy currents

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Shahmiri, Hamidreza (2021). Non-destructive evaluation of hydrogen embrittlement in cadmium-plated high strength steel using ultrasonic surface waves and eddy currents. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Hydrogen embrittlement (HE) is a serious material deterioration phenomenon that can cause sudden failure of metallic parts subjected to static or cyclic loads, leading to service interruptions and financial losses. HE can result in delayed fracture of components with vulnerable microstructure that contain exceedingly small concentrations of diffusive hydrogen. Sources of hydrogen ingress into material can be either external, such as a corrosion reaction, or internal, such as electroplating process. Cd-plated 4340 high strength steel components, used for manufacturing aircraft landing gears, are particularly prone to HE. Such parts are heattreated during a process called baking to encourage the egress of electroplating-induced hydrogen. However, there are concerns about the efficiency of baking as well as the effect of inevitable delays between electroplating and baking on the risk of HE. It is therefore beneficial to develop a non-destructive evaluation (NDE) method to ensure that dissolved hydrogen level is dropped below a certain concentration threshold in Cd-plated parts. In other words, such NDE method shall ideally be able to quantitatively evaluate the susceptibility of Cd-plated steel parts to HE. However, there are numerous challenges which hinder achieving this goal. Firstly, such small hydrogen concentrations are below the sensitivity level of many conventional NDE techniques. Moreover, research on NDE of HE has so far has been focused on parts subjected to direct hydrogen charging that involve high hydrogen concentrations, the results of which may not be applicable to case of Cd-plated steel. As an initial but necessary step in research to address the problem, the present study assesses the feasibility of candidate NDE methods that were deemed sensitive to hydrogen-induced variations in near-surface material properties of Cd-plated steel samples. The aim was to distinguish between samples with low and high HE susceptibilities. For this purpose, non-destructive measurements based on surface acoustic waves (SAW) as well as eddy current testing (ECT) were performed on several samples manufactured in not-baked, late-baked and immediately-baked conditions. Destructive tests as well as microscopy techniques were performed in parallel to characterize test samples. Computer simulations of NDE results were also performed to evaluate the hydrogen-induced changes in relevant material properties.

Titre traduit

Surface et de courants de foucault, de la fragilisation par l’hydrogène dans des aciers à haute résistance plaqués au cadmium

Résumé traduit

La fragilisation par l'hydrogène (FH) est un grave phénomène de détérioration des matériaux qui peut provoquer une rupture soudaine de pièces métalliques soumises à des charges statiques ou cycliques, entraînant des interruptions de service et des pertes financières. La FH peut entraîner une fracture différée de composants dont la microstructure est vulnérable et qui contiennent des concentrations extrêmement faibles d’hydrogène diffusif. Les sources d’infiltration d’hydrogène dans le matériau peuvent être soit externes, comme une réaction de corrosion, soit internes, comme l’électroplacage. Les composants en acier 4340 à haute résistance, plaqués au Cd et utilisés pour la fabrication de trains d'atterrissage d'avion, sont particulièrement sujets à la FH. Ces pièces sont traitées thermiquement au cours d'un processus appelé étuvage pour encourager l’exfiltration de l'hydrogène induit par électroplacage. Cependant, il existe des préoccupations concernant l'efficacité de l’étuvage ainsi que l'effet des retards inévitables entre l’électroplacage et l’étuvage sur le risque de FH. Il est donc avantageux de développer une méthode de contrôle non destructif (CND) pour s'assurer que le niveau d'hydrogène dissous soit abaissé en dessous d'un certain seuil de concentration dans les pièces plaquées au Cd. En d'autres termes, une telle méthode de CND doit idéalement être en mesure d'évaluer quantitativement la susceptibilité des pièces en acier plaquées au Cd à la FH. Cependant, de nombreux défis entravent la réalisation de cet objectif. Premièrement, ces faibles concentrations d'hydrogène sont en dehors de la plage de sensibilité de nombreuses techniques de CND conventionnelles. De plus, la recherche sur le CND de la FH s'est jusqu'à présent concentrée sur des pièces soumises à une charge directe d'hydrogène; ce qui implique de fortes concentrations d'hydrogène et donc des résultats qui peuvent ne pas être applicables au cas de l'acier plaqué au Cd. En tant qu'étape initiale, mais nécessaire, dans la recherche pour résoudre le problème, la présente étude évalue la faisabilité de méthodes de CND qui ont été jugées potentiellement sensibles aux variations induites par l'hydrogène dans les propriétés des matériaux proches de la surface des échantillons d'acier plaqués au Cd. Le but était de faire la distinction entre des échantillons à faible et à forte susceptibilité à la FH. À cette fin, des mesures non destructives basées sur des ondes acoustiques de surface (OAS) ainsi qu’un contrôle par courants de Foucault (CCF) ont été effectués sur plusieurs échantillons fabriqués dans des conditions sans étuvage, d'étuvage différé et d’étuvage immédiat. Des tests destructifs ainsi que des techniques de microscopie ont été réalisés en parallèle pour caractériser les échantillons à tester. Des simulations informatiques des résultats de CND ont également été effectuées pour évaluer les changements induits par l'hydrogène dans les propriétés des matériaux étudiés.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 93-104).
Mots-clés libres: contrôle non destructif (CND), fragilisation par l'hydrogène (FH), acier à haute résistance, revêtement de cadmium, ondes acoustiques de surface (OAS), ultrasons, contrôle par courants de Foucault (CCF)
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Viens, Martin
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 10 janv. 2022 17:54
Dernière modification: 10 janv. 2022 17:54
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2814

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