MEM – couplages Mécanique-Environnement-Matériaux

Dans cette thématique nous nous intéressons à l’influence de l’environnement sur le comportement et la dégradation des matériaux, via les phénomènes de transport en volume d’espèces diffusantes et les mécanismes de fragilisation associés lors de sollicitations thermomécaniques. Il s’agit par exemple des interactions hydrogène-matériaux (diffusion, piégeage, changements de phase…), éventuellement couplées à des variations importantes de température, à de la plasticité et à de l’endommagement. La question des couplages est donc centrale dans cette thématique, ce qui implique le développer d’outils numériques adaptés depuis un certain nombre d’années (plusieurs codes de calculs élément-finis ont déjà atteint un niveau de développement avancé : des routines Fortran interfacées avec le code de calcul Abaqus ; le code python, Festim, appelant la librairie FeNiCS).

Les aspects expérimentaux sont également développés au LSPM avec des essais mécaniques combinant pression de dihydrogène et température, actuellement en cours de conception au LSPM.

Cette thématique est fortement soutenue par les fédérations et organismes existants autour de la thématique de l’hydrogène, avec de plus en d’applications industrielles : le projet ITER a Cadarache (et son programme « Fellowship » auquel MEM participe) et les filières aéronautiques).

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

a

a

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

a

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

a

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

Fissuration dans les céramiques sous choc thermique

La fissuration dans les céramiques sous choc thermique ainsi que le réseau de fissures formé sont de nature compliquée. Pour étudier ce phénomène, nous avons développé des modèles de rupture non-local et par champ de phase, capables de prédire à la fois la création et la propagation des fissures. L’implémentation numérique de ces modèles permet de simuler directement la formation des fissures et leur propagation sous le choc thermique. La comparaison avec les résultats expérimentaux montre que la structure périodique et hiérarchique du réseau de fissures est fidèlement reproduite.   

Share This