Simulation de la propagation de fissures de fatigue sous hydrogène en milieu hétérogène
Augustin PERRIER-MICHON1*, Damien HALM1, Azdine NAIT-ALI1, Yann CHARLES2, Mikael GUEGUEN1, Gilbert HÉNAFF1
1 Institut Pprime, ISAE-ENSMA, Chasseneuil-du-Poitou, France
2 LSPM, Université Sorbonne Paris Nord, Villetaneuse, France
(* Orateur)
L’intensification de l’utilisation de l’hydrogène comme vecteur d’énergie soulève des questions de dimensionnement des structures vis-à-vis de la fragilisation par l’hydrogène. En effet, lors de la conception d’un réservoir de stockage d’hydrogène gazeux ou d’un pipeline, l’objectif est d’augmenter la pression du gaz pour maximiser la quantité stockée ou transportée, tout en réduisant le poids et le coût de la structure. Il est donc crucial de disposer d’outils numériques pour évaluer la durabilité des composants métalliques d’une structure en contact avec de l’hydrogène gazeux à très haute pression et en présence d’un défaut tel qu’une fissure. A ce titre, la compréhension et la simulation de l’effet de l’hydrogène sur le comportement d’une fissure à l’échelle de l'agrégat métallique polycristallin constituent un premier pas vers le dimensionnement de structures macroscopiques. A cette échelle la pression d’hydrogène et les cycles de sollicitation mécanique endommagent le matériau notamment sa ductilité et sa résistance à la fissuration. Par rapport à sous atmosphère inerte, il en résulte une accélération de la vitesse de propagation et un changement dans le mode de rupture allant d'intergranulaire à transgranulaire selon les conditions de chargement. L’objectif de cette étude est de développer et d’éprouver un modèle numérique de propagation de fissures de fatigue assistée par l’hydrogène à l’échelle d’un agrégat polycristallin.
Dans ce modèle couplé, le chargement cyclique induit une propagation de la fissure modifiant la répartition en hydrogène dissous qui se concentre alors en pointe de fissure. Cette présence locale d’hydrogène accélère alors la propagation de la fissure. Le modèle est construit sur la thermodynamique des processus irréversibles : chaque phénomène physique est représenté par une variable d’état et son gradient. L’avancée de la fissure est modélisée à l’aide d’un modèle d’endommagement à gradient. La longueur caractéristique de ce modèle d’endommagement non-local est représentée par un tenseur d’ordre deux et varie donc localement d’un grain à l’autre en fonction de l’orientation du cristal. Ce nouveau modèle d’endommagement permet de représenter la rupture par clivage, mode de rupture observé expérimentalement dans le régime de fissuration fortement accéléré par l’exposition à l’hydrogène gazeux. Sur cette base la concentration d’hydrogène favorise l’endommagement du matériau et donc une avancée de la fissure. De même, chaque cycle mécanique engendre un dommage contrôlant la propagation de la fissure.
Figure 1 : Propagation de l'endommagement dans un milieu hétérogène composé de 3 grains orthotropes : (a) schéma de la plaque trouée en traction, (b)–(d) champ d’endommagement pour des chargements croissants
La figure 1 illustre l’amorçage et la propagation d’une fissure dans le cas académique d’une plaque trouée composée de trois grains orthotropes d’orientation différente et soumis à une sollicitation de traction. La vitesse et la direction de la fissure varient donc d’un grain à l’autre. Ce modèle est éprouvé sur des cas théoriques simples. Des simulations sur une microstructure tri-dimensionnelle représentative du matériau sont envisagées. A l’avenir, le comportement mécanique à cette échelle pourrait être modéliser par une loi de plasticité cristalline. L’influence des joints de grain nécessiterait un traitement particulier pour pouvoir représenter un mode de propagation intergranulaire. Cette thèse fait partie du programme et équipement prioritaire de recherche (PEPR) Hydrogène du plan France 2030.
hydrogène, endommagement non local, fatigue, polycristal