Séminaire de Yann Charles

Y. Charles, J. Mougenot, M. Gaspérini, N. Iskounen

Récemment, l'hydrogène a été l‘objet de toute les attentions en tant que vecteur énergétique potentiel, au travers de programmes nationaux et internationaux visant à accélérer les moyens de production de l'hydrogène, de même que son transport et stockage (1). Les isotopes de l'hydrogène interviennent également dans les processus de fusion, une source possible d'énergie, actuellement étudiée au travers des tokamaks expérimentaux tels qu'ITER (2, 3). Cependant, la présence d’hydrogène au contact des métaux peut altérer considérablement les propriétés mécaniques des matériaux et conduire à une rupture prématurée (fragilisation par l’hydrogène). Ce phénomène résulte d'interactions entre le matériau et l'hydrogène, de l'échelle atomique à l'échelle macroscopique. Dans les matériaux métalliques, une fois l'hydrogène absorbé en surface, la diffusion au sein du matériau, via les sites interstitiels du réseau cristallin, le piégeage sur des défauts microstructuraux (lacunes, dislocations, joints de grains, etc.) ou la formation d'hydrures constituent les principaux mécanismes de transport de l'hydrogène. Ces phénomènes sont associés à des cinétiques variées et des effets de couplage (4). Prendre en compte ces interactions dans des modèles par éléments finis, pour résoudre divers problèmes de conditions initiales et aux limites, constitue un défi important pour prédire et prévenir la fragilisation par l'hydrogène des composants en service.
Les équations régissant le transport et le piégeage de l'hydrogène assistés par l'environnement sont ainsi présentées, de même que la stratégie numérique utilisée pour résoudre des problèmes chemo-thermomécaniques fortement couplés dans le logiciel d'éléments finis Abaqus.
Plusieurs extensions du modèle initial de diffusion-piégeage, et qui prend en compte la diffusion assistée par les contraintes et le piégeage par les dislocations (5, 6), ont été développés, en particulier le (multi)piégeage transitoire (7–9), le transport de l'hydrogène par les pièges mobiles (9, 10), l’effet Soret (11)…
Une attention particulière est portée sur les transitions d'échelles, en intégrant les informations issues de modélisations aux basses échelles dans les lois de comportement Les tendances principales des développement actuellement menées (12, 13) portent sur d'une part, le couplage entre les modèles de transport de l'hydrogène et de plasticité cristalline, et, d'autre part, le cloquage induit par l'hydrogène. Les limites des modèles présentées et les grands enjeux ouvertes sont discutés.

1.    C. Stiller et al., Int. J. Hydrogen Energy. 35, 2597–2601 (2010).
2.    T. Hirai et al., Phys. Scr. T159, 014006 (2014).
3.    C. Bachmann et al., Fusion Eng. Des. 98, 1423–1426 (2015).
4.    H. Yu et al., Chemical Reviews. 124, 6271–6392 (2024).
5.    P. Sofronis, R. M. McMeeking, J Mech Phys Solids. 37, 317–350 (1989).
6.    A. H. M. Krom, R. W. J. Koers, A. D. Bakker, J Mech Phys Solids. 47, 971–992 (1999).
7.    S. Benannoune, Y. Charles, J. Mougenot, M. Gaspérini, Int J Hydrog Energy. 43, 9083–9093 (2018).
8.    Y. Charles, J. Mougenot, M. Gaspérini, Int J Hydrog Energy. 46, 10995–11003 (2021).