Effect of microstructure and thread rolling on hydrogen embrittlement susceptibility in high strength steel fasteners

High strength steel fasteners are susceptible to hydrogen embrittlement and can fail unexpectedly while in service.Hydrogen embrittlement is the result of a susceptible material exposed to hydrogen while subjected to tensile stresses.Preventing hydrogen embrittlement failures is critical in high and ultrahigh strength fasteners.Advancements in ultrahigh strength fastener technology targeting strength levels above 1400 MPa have led to development of bainitic microstructure for externally threaded fasteners.Lower bainite exhibits higher ductility and toughness than tempered martensite at equal strength.Susceptibility of a material to hydrogen embrittlement is directly related to the material condition, described by its strength, chemical composition, and microstructure.This research aims to compare the effect on susceptibility to hydrogen embrittlement of microstructures comprising tempered martensite and lower bainite.The effect of rolling threads before and after heat treatment on hydrogen embrittlement susceptibility is also examined.The experimental method used for this investigation is incremental step load (ISL) testing, in 4-point bending, with and without addition of hydrogen by cathodic charging.The methodology is designed to determine the hydrogen embrittlement threshold stress.Although at strength levels above 1200 MPa, both microstructures were very susceptible to hydrogen embrittlement, bainite exhibited marginally lower susceptibility than martensite.On the other hand, when the threads were rolled after heat treatment, resulting in significantly higher dislocation density by plastic deformation, results indicated significantly lower susceptibility, independent of the microstructure and hardness.This finding points to utilizing dislocations introduced by cold rolled threads as the most promising approach for minimizing hydrogen embrittlement susceptibility in ultrahigh strength steel fasteners. RÉSUMÉLes pièces de fixation en acier à haute résistance sont susceptibles à la fragilisation par l'hydrogène (FPH) et peuvent briser en opération de façon inattendue.Le mécanisme de la fragilisation par l'hydrogène est le résultat combiné de l'utilisation d'un matériau susceptible à la FPH exposé à l'hydrogène lorsqu'il est soumis à une contrainte en traction.La susceptibilité à la fragilisation par l'hydrogène est directement liée à l'état du matériau, c'est-à-dire ses propriétés mécaniques, à sa composition chimique et à sa microstructure.Cette recherche vise à comparer les effets de deux microstructures différentes sur la susceptibilité des pièces de fixation en acier à la fragilisation par l'hydrogène, c'est-à-dire la martensite revenue et la bainite inférieure.Cette recherche se penchera également sur l'effet des filets écrouis avant et après le durcissement par traitement thermique.La principale méthode utilisée pour cette étude est l'application de force en flexion par paliers.Cette méthode d'essai consiste de chargement en flexion à quatre points, avec et sans ajout de l'hydrogène par voie cathodique, pour mesurer le seuil de la fragilisation par l'hydrogène.Cette étude démontre que lorsque les filets sont écrouis avant le traitement thermique, la bainite inférieure offre une résistance à la FPH légèrement supérieure à -1.0 V de chargement cathodique.Lorsque les filets sont écrouis après le traitement thermique, la résistance à la FPH est supérieure en comparaison avec les pièces qui sont écrouies avant le traitement thermique, peu importe la microstructure ou les propriétés mécaniques.Les résultats démontrent aussi que les deux microstructures, à des niveaux de résistance supérieurs à 1200 MPa, sont très susceptibles à la FPH.Par ailleurs, pour les deux microstructures, l'écrouissage des filets après le traitement thermique réduit la susceptibilité à la FPH.

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