La fragilisation par l'hydrogène constitue un risque grave de défaillance prématurée des structures métalliques, en particulier pour les applications de stockage et de transport de l'hydrogène. Dans le domaine de la mise en forme, des essais spécifiques comme l'essai de disque [Charles et al. 2012] sous pression d'hydrogène gazeux ou l'essai de pliage en U après chargement cathodique [Tagaki et al. 2012, Charles et al. 2018] sont utilisés pour caractériser l'influence de l'hydrogène sur la rupture macroscopique des tôles métalliques. Cependant, l'amorçage d'une fissure de fragilisation dépend à la fois de l'état de contrainte local et de l'évolution de la distribution de l'hydrogène dans le matériau au cours de l'essai, qui résulte d'interactions complexes entre l'hydrogène et la microstructure, pendant ou après de grandes déformations plastiques. La simulation numérique par éléments finis de ces essais permet d'estimer les champs mécaniques et les concentrations d'hydrogène, pour préciser la fiabilité des structures, dès lors que les couplages mécanique-environnement pertinents sont pris en compte.

Des procédures numériques ont été développées pour résoudre simultanément dans le code Abaqus© les problèmes aux limites mécanique et de diffusion-piégeage de l'hydrogène [Charles et al. 2017a]. Le modèle prend en compte la diffusion assistée par le champ de contrainte hydrostatique et le piégeage de l'hydrogène par la déformation plastique, à l'équilibre thermodynamique [Krom et al. 1999], ou en tenant compte du piégeage transitoire [Benannoune et al. 2018]. Le modèle peut être appliqué en élastoplasticité isotrope standard ou en élastoplasticité cristalline [Charles et al. 2017b].

Des résultats de simulations 2D, axisymétrique et 3D sont présentés dans le cas du fer ou d'aciers bas carbone, avec des lois d'écrouissage identifiées sur des essais de traction simple et des paramètres liés à l'hydrogène issus de la littérature [Sofronis and McMeeking 1989, Turnbull et al. 1997]. Ils montrent l'influence des conditions aux limites, des vitesses de sollicitation et de la déformation plastique sur l'évolution du front de diffusion apparent de l'hydrogène dans le matériau. De plus, des simulations sur agrégats polycristallins 3D, situés dans la zone d'intérêt pour la rupture, permettent de mettre en évidence l'effet de l'anisotropie cristalline sur les champs mécaniques et les conséquences sur la distribution d'hydrogène. L'analyse statistique des résultats permet de suggérer des pistes de critères d'initiation de la rupture induite par l'hydrogène à l'échelle du composant.

Réferences

Charles Y., Gaspérini M., Disashi J. and Jouinot P., 2012, Journal of Materials Processing Technology, 212, 1761–1770.

Takagi S., Toji Y., Yoshino M. and Hasegawa K., 2012, ISIJ International, 52, 2, 316-322.

Charles Y., Gaspérini M., Ardon K., Ayadi S., Benannoune S. and Mougenot J., 2018, Procedia Structural Integrity, 13, 896-901.

Charles Y., Nguyen H.T. and Gaspérini M., 2017, International Journal of Mechanical Sciences, 120, 214-224.

Krom A.H.M., Koers R.W.J. and Bakker A., 1999, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 47, 4, 971–992.

Benannoune S., Charles Y., Mougenot J. and Gaspérini M., 2018, International Journal of Hydrogen Energy, 43, 18, 9083-9093.

Charles Y., Nguyen H.T. and Gaspérini, M., 2017, International Journal of Hydrogen Energy, 42, 31, 20336-20350.

Sofronis P. and McMeeking R.M., 1989, Journal of the Mechanics and Physics of Solids., 37, 317–350.

Turnbull A., Hutchings R.B. and Ferriss D.H., 1997, Materials Science and Engineering: A, 238, 317–328.