(Interactions) Matériaux, Environnement, Mécanique (MEM)

L’O.R. MEM s’attache à mieux appréhender les interactions entre le comportement mécanique des matériaux métalliques et l’environnement, notamment en présence d’hydrogène, responsable de phénomènes de fragilisation affectant la tenue des structures en service. L’activité principale est centrée sur le développement d’outils numériques de simulation par éléments finis, basés essentiellement sur le logiciel Abaqus et l’enrichissement de procédures utilisateurs spécifiques.

Il s’agit de mener des calculs complexes, prenant en compte, de manière entièrement couplée,

– la rupture assistée par l’environnement (zones cohésives) ;

– les champs thermo-élasto(visco)plastiques, à l’échelle du composant et/ou du polycristal ;

– la diffusion et le piégeage de l’hydrogène sur différents types de pièges (dislocations, lacunes….), de densité évolutive. Ce piégeage peut être instantané (dit équilibre d’Oriani) ou transitoire, via la résolution d’équations différentielle de cinétique chimique. La diffusion est assistée par les champs mécaniques (pression hydrostatique).

– le transfert de chaleur transitoire.

Les applications concernent essentiellement le domaine du transport/stockage d’hydrogène dans des matériaux soumis à des chargements gazeux sous pression et/ou sous forte contrainte thermique (notamment rencontrées dans les tokamaks). Les outils développés peuvent également intéresser des problématiques connexes comme la corrosion sous contrainte.

Simulations avec couplages

Simulation d’un essai de disque

Calcul de la diffusion et du piégeage de l’hydrogène dans l’essai de disque, en fonction de la vitesse de pressurisation. Estimation de l’impact de l’hétérogénéité des champs mécanique à l’échelle du polycristal.

Benannoune, S., Charles, Y., Mougenot, J., Gaspérini, M., & De Temmerman, G. (2020). Multidimensional finite-element simulations of the diffusion and trapping of hydrogen in plasma-facing components including thermal expansion. Physica Scripta, T171, 014011. http://doi.org/10.1088/1402-4896/ab4335

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Simulation couplées thermo-chemo-mécanique

Simulation couplées thermo-chemo-mécanique pour estimer l’impact des champs de dilatation thermique et des contraintes résiduelles induites sur la rétention d’hydrogène dans les composants Face au Plasma dans ITER.

Benannoune, S., Charles, Y., Mougenot, J., Gaspérini, M., & De Temmerman, G. (2020). Multidimensional finite-element simulations of the diffusion and trapping of hydrogen in plasma-facing components including thermal expansion. Physica Scripta, T171, 014011. http://doi.org/10.1088/1402-4896/ab4335

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Machine learning

 

Récemment, des couplages avec des méthodes de machine learning ont été développés pour calculer la rétention d’hydrogène sous différentes conditions d’exposition plasma.

Estimation de la rétention de tritium dans ITER en fonction du temps, dans un scénario « pleine puissance ».

Delaporte-Mathurin, R., Hodille, E., Mougenot, J., De Temmerman, G., Charles, Y., & Grisolia, C. (2020). Parametric study of hydrogenic inventory in the ITER divertor based on machine learning. Scientific Reports, 10(1), 1–12. http://doi.org/10.1038/s41598-020-74844-w

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Essai de Disque

 

D’un point de vue expérimental, l’essai de disque, qui permet de caractériser la sensibilité des tôles métalliques sous pression d’hydrogène gazeux, est utilisé comme essai sévère couplant pression imposée et déformation plastique. Il permet de plus, à l’aide d’investigations microstructurales par microscopie électronique, d’analyser les mécanismes de fissuration et de fragilisation induits par l’hydrogène dans des matériaux très variés (fer, acier, titane,…).

Exemple de fissuration transgranulaire dans titane alpha après essai de disque

Colloque Matériaux 2018

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