Développement d’une approche d’équivalence en termes de fragilisation par l’hydrogène entre hydrogène gazeux et électrochimique pour des aciers perlito-ferritiques

Rémunérée - Contrat CEA

18 mois à La Rochelle Université (LaSIE) et 18 mois au CEA de Grenoble

Personnes à contacter par le candidat

L. Briottet – Ingénieur/Chercheur CEA HDR : laurent.briottet@cea.fr ;
A. Oudriss – MCF (LaSIE-ULR) : abdelali.oudriss@univ-lr.fr ;
X. Feaugas – Professeur (LaSIE-ULR) : xavier.feaugas@univ-lr.fr

DATE DE DÉBUT SOUHAITÉ

05/12/2022

DATE LIMITE DE CANDIDATURE

30/09/2022

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Le travail attendu durant cette thèse vise à identifier des conditions expérimentales et des propriétés mécaniques pour lesquelles des équivalences sont obtenues. Pour cela, trois axes de travail seront développés :

  1. Équivalence perméation cathodique/gazeuse associée à une approche théorique basé sur un formalisme thermocinétique afin d’estimer les fugacités équivalentes.
  2. Approche locale de la rupture pour quantifier les différents endommagements en fonction des sollicitations mécaniques (monotones ou/et cycliques).
  3. Etude évaluant l’impact de l’oxyde natif sur les processus d’absorption d’hydrogène gazeux, et comprendre l’influence de la pression d’hydrogène sur la stabilité de l’oxyde.

Ce travail sera réalisé sur deux nuances d’aciers perlito-ferritiques destinés aux applications H2 (stockage et transport), ainsi que sur le fer pur qui constituera l’état de référence. Des caractérisations microstructurales sont envisagées avec différents techniques (MEB-EDS-EBSD, MET, DRX…).Des essais de perméation électrochimique et gazeuse selon différentes conditions (pression, température, densité de courant, milieux…) seront conduits afin d’identifier les conditions nécessaires pour établir une équivalence en termes des mécanismes de diffusion et de piégeage de l’hydrogène. Des analyses par thermo-désorption (TDS) sont envisagées en complément afin de valider cette équivalence en termes de concentrations d’hydrogène. De plus, des essais de chargement en hydrogène par voies électrochimique et gazeuse selon différentes conditions seront également réalisés afin d’établir les courbes de solubilités et valider ainsi l’approche d’équivalence par perméation.

Une fois cette équivalence en concentration obtenue, il est nécessaire de vérifier si une équivalence en endommagement est obtenue, en particulier du fait des phénomènes de surface différents. Pour cela, des essais mécaniques monotones et cycliques seront conduits sous différentes conditions de chargement d’hydrogène électrochimique ou gazeux (pour des pressions maximales inférieures à 400 bars). Une approche locale de la rupture sera adoptée en utilisant des éprouvettes entaillées afin d’identifier l’impact des caractéristiques mécaniques locales sur les processus d’absorption d’hydrogène et donc sur l’équivalence entre H électrochimique et H2 gazeux. De plus, cette approche couplée à des analyses fractographiques apportera des éléments de compréhension quant aux mécanismes d’endommagement assistés par l’hydrogène. Des simulations par éléments finis (FEM) sont prévues afin d’identifier les caractéristiques mécaniques locales (contrainte hydrostatiques et déformations plastique équivalente).

Finalement, une attention particulière sera portée aux phénomènes de surface et sur leur influence sur les conditions d’équivalence établies. Ainsi, des chargements en hydrogène gazeux avec des conditions données (pression, température) ainsi que des essais mécaniques sous H2 seront réalisés sur des échantillons et éprouvettes revêtues d’un dépôt de palladium. Cette démarche permettra de limiter les effets de surface en gazeux et de comparer avec les résultats de la partie électrochimique. Une étude plus approfondie de l’évolution de l’oxyde de surface sous pression de H2 est envisagée afin d’identifier l’influence des conditions de chargement (pression H2, température) sur la stabilité de l’oxyde, et donc sur les mécanismes d’absorption d’hydrogène en environnement gazeux.

L’ensemble des résultats obtenus permettra d’identifier les conditions de chargement hydrogène et les sollicitations mécaniques pour lesquels une équivalence entre chargement gazeux et cathodique peut être mise en place.