Hydrogen embrittlement (HE) is identified as a serious problem even after decades of extensive research, in various industries starting from aerospace to fastener. HE is primarily responsible for the degradation of mechanical performances of a number of metals and alloys that are used nowadays. Among them, high strength steels owing to their widespread applications also suffer from HE failures to a great deal. Hence, this thesis focuses on fundamental issues influencing the susceptibility of three different grades of high strength steels designed for fastener applications.

The present work includes investigation of mechanical properties both in presence and absence of hydrogen, microstructural characterizations and direct hydrogen quantifications. The mechanical property test methodology is a modification of the ASTM F1624 standard test method to determine hydrogen embrittlement threshold in steels, which facilitates a unique approach to investigate the HE susceptibility of these steel grades. The microstructural characterization process involves scanning electron microscopy (SEM), electron backscattered diffraction (EBSD) and transmission electron microscopy (TEM) to identify the potential hydrogen trap states in microstructure, both qualitatively and quantitatively. Microstructural characterization also provides useful information to predict local microstructural evolution in the presence of hydrogen and stress. Altogether, a structure-property relationship has been developed for these materials employing a comprehensive investigation process. In addition to it, fracture surface mapping using SEM indicates the mechanisms of failure associated with HE process in these materials. And finally, direct hydrogen quantification methodology using thermal desorption spectroscopy (TDS) provides further experimental evidence to the above-mentioned facts.

Thus, in this work a combined approach involving various research techniques and knowledge has been utilized to investigate the susceptibility of the steel grades and rank them according to their performances under the influence of hydrogen.

La fragilisation par l'hydrogène (FPH) demeure un problème grave malgré de recherches approfondies depuis des décennies dans diverses industries comme l'aérospatiale et la fixation. La FPH cause la dégradation de la performance mécaniques d'un certain nombre de métaux et d'alliages utilisés de nos jours. Parmi eux, les aciers à haute résistance en raison de leurs applications répandues sont très à risque de défaillance par FPH.

Par conséquent, cette thèse traite des questions fondamentales qui influent sur la sensibilité de trois qualités différentes d'aciers à haute résistance conçus pour des applications de fixation. Cet ouvrage comprend l’étude des propriétés mécaniques aussi bien en présence et en absence d'hydrogène, la caractérisation microstructurale et la quantifications d'hydrogène. La méthodologie des essais mécanique est inspirée par la norme ASTM F1624, donc en traction par pallier, pour trouver le seuil de fragilisation de l'hydrogène des matériaux. Cette méthode permet de quantifier la sensibilité de ces nuances d'acier à la FPH. Le processus de caractérisation microstructurale rejoint la microscopie électronique à balayage (MEB), la diffraction électronique rétrodiffusée (EBSD) et la microscopie électronique à transmission (MET) pour identifier et quantifier les états de piégeage dans la microstructure de l’hydrogène. La caractérisation de la microstructure fournit également des informations utiles sur l'évolution de la structure locale, en présence d'hydrogène et de contraintes. Une relation structure-propriété a été mis au point pour ces matériaux. De plus, la cartographie par MEB des faciès de ruptures permet d’identifier les mécanismes de rupture liés à la FPH. Enfin, la quantification directe d'hydrogène par désorption thermique fournit autres preuves sur les faits mentionnés ci-dessus.

En résumé, cet ouvrage décrit une approche qui combine diverses techniques de recherche pour étudier la sensibilité des nuances d'aciers à haute résistance et de les classer en fonction de leurs performances sous l'influence de l'hydrogène.