Mécanique

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

MADI Yazid

Centre des Matériaux

09/12/2023

Tribologie, Hydrogène, Usure, Frottement, TA6V, 316L

Tribology, Hydrogen, Wear, Friction, Ti-6Al-4V, 316L

La transition vers l'utilisation de l'hydrogène comme vecteur d'énergie pour le transport lourd est un enjeu majeur dans la transition écologique. Cependant, l'hydrogène gazeux peut avoir un effet négatif sur les matériaux métalliques en réduisant leur résistance et leur endurance en fatigue. Actuellement, de nombreuses recherches sont menées pour étudier les phénomènes de fissuration des composants statiques, tels que les canalisations et les réservoirs, sous l'effet de l'hydrogène gazeux [1-4]. Différents projets, tels que la chaire industrielle Messiah au CDM, ainsi que le projet PEPR-Hydrogène décarboné géré par le CEA et le CNRS, contribuent à ces travaux de recherche en France. Cependant, il est également nécessaire de se pencher sur les problématiques liées au frottement, à l'usure et à l'écaillage des composants soumis à des glissements alternés, tels que les vannes et les pistons de compression, dans des atmosphères d'hydrogène gazeux. Malheureusement, il existe peu de recherches sur ces aspects spécifiques sous haute pression d'hydrogène gazeux. Les travaux actuellement réalisés dans ce domaine se concentrent principalement aux États-Unis et au Japon [5-6]. L'objectif de cette thèse est donc de combler cette lacune en étudiant les phénomènes de frottement, d'usure et d'écaillage des composants soumis à des sollicitations tribologiques dans des atmosphères d'hydrogène gazeux. En répondant à cet enjeu sociétal, cette thèse vise à positionner le CDM en tant que leader sur cette problématique en France, voire en Europe.

Sujet de recherche
Le Centre des Matériaux possède une enceinte H2g haute pression développée dans le cadre du projet Messiah, montée sur un banc hydraulique MTS, permettant d'effectuer des essais mécaniques tels que la ténacité et la fatigue. L'objectif de cette thèse est de développer comme preuve de concept un banc d'essais tribologique qui pourra directement être intégré dans l'enceinte H2g en collaboration avec le LTDS et avec la plateforme SESAME du CDM. Ce montage miniaturisé permettra l'étude du frottement et de l'usure, ainsi que la détection des phénomènes de grippage. Il est optimisé pour l'étude du frottement, de l'usure, du fretting fissuration et de la fretting fatigue. Un point important du développement sera sur la mesure du coefficient de frottement. Il devra éventuellement adapter une technique de mesure de champs pour identifier de manière localisée les zones de glissement dans l'interface.

The transition to using hydrogen as an energy carrier for heavy transportation is a major challenge in the field of ecological transition. However, gaseous hydrogen can have a negative effect on metallic materials by reducing their strength and fatigue endurance. Currently, numerous research efforts are being conducted to study the cracking phenomena of static components, such as pipelines and tanks, under the influence of gaseous hydrogen [1-4]. Various projects, such as the industrial chair 'Messiah' at CDM, as well as the 'Decarbonized Hydrogen PEPR' project managed by CEA and CNRS, contribute to these research works in France. However, it is also necessary to address the issues related to friction, wear, and spalling of components subjected to alternate sliding in gaseous hydrogen environments. Unfortunately, there is limited research on these specific aspects under high-pressure gaseous hydrogen. The current research in this field primarily focuses on the United States and Japan [5-6]. The objective of this thesis is therefore to fill this gap by studying the friction, wear, and spalling phenomena of components subjected to tribological loading in gaseous hydrogen atmospheres. By addressing this societal challenge, this thesis aims to position CDM as a leader in this issue in France, and potentially in Europe.
Research Topic
The Materials Center possesses a high-pressure H2g enclosure developed as part of the Messiah project, mounted on an MTS hydraulic bench, allowing for mechanical tests such as toughness and fatigue. The objective of this thesis is to develop, as a proof of concept, a tribological test bench that can be directly integrated into the H2g enclosure in collaboration with LTDS and the SESAME platform of CDM. This miniaturized setup will enable the study of friction, wear, and the detection of seizure phenomena. It is optimized for the study of friction, wear, fretting crack formation, and fretting fatigue. An important aspect of the development will be the measurement of the coefficient of friction. It will eventually require adapting a field measurement technique to locally identify sliding zones at the interface.

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Directeur de thèse: Yazid MADI
Co-directeur de thèse: S. FOUVRY
Co-encadrant: P.ARNAUD

Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :

Ingénieur/Master en science des matériaux et mécanqiue des métériaux

Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une copie de la carte d'identité ou passeport
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation
• une attestation de niveau d'anglais

Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Prerequisite (specific skills for this thesis):



Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicant's motivation for the position
• detailed exam results
• two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
• to provide an appreciation of the candidate
• Your notes of M1, M2
• level of English equivalent TOEIC
to be sent to recrutement_these@mat.mines-paris

L'étude se concentrera sur deux alliages modèles : un alliage de titane TA6V, favorable à la formation d'hydrures, et un acier austénitique 316 L, moins favorable à cette formation. À l'aide du banc, l'étudiant mettra en place une matrice d'essais expérimentaux pour étudier l'influence des conditions de chargement, telles que la pression de contact, l'amplitude de glissement et la fréquence de glissement, en fonction de la pression partielle de H2g. Une étude similaire sera également réalisée sous air ambiant pour servir de référence. Cette recherche expérimentale sera complétée par des expertises et des analyses en surface, telles que la spectrométrie XPS et micro-raman, afin d'établir les scénarios d'endommagement en jeu. L'accent sera mis sur la distribution des espèces présentes en surface (hydrures, oxydes, etc.) ainsi que sur la distribution en sous-couche des zones affectées par la fragilisation par l'hydrogène. L'étude comparative entre l'acier 316L et le TA6V permettra de différencier l'effet hydrure (tribochimie de l'interface) de la fragilisation des alliages par l'hydrogène, qui favorise l'usure par microfissuration.
À partir des données de l'étude expérimentale, un modèle d'usure sera développé en couplant deux modèles multiphysiques existants. Le premier modèle, appelé 'WTO box' [7], simule l'usure locale dans l'interface, la formation de lits de débris et les processus de diffusion d'espèces gazeuses (comme O2 et N2), en utilisant une approche ADR (Advection, Diffusion, Réaction) [8]. Ce modèle sera adapté pour des simulations 3D sphère/plan et inclura la cinétique de formation d'hydrures en surface. Pour prendre en compte l'effet FPH (Fragilisation par l'Hydrogène sous Pression), cette simulation sera couplée à une modélisation HELP [9,10] intégrée dans le code Z-mat, permettant de simuler la diffusion de l'hydrogène dans la microstructure en fonction de la déformation plastique induite dans l'interface. En combinant ces deux modèles multiphysiques (WTO et HELP), il sera possible de développer un modèle d'usure complet décrivant l'influence de l'hydrogène gazeux dans les processus d'usure.

[1] M. NAGUMO Fundementals of Hydrogen Embrittlement, Springer (2016), 239p, ISBN 979-981-10-0160-4.
[2] J. Qiu, Z. Fu, B. Liu, Y. Liu, J. Yan, Di Pan, W. Zhang, I. Baker, Effects of niobium particles on the wear behavior of powder metallurgical γ-TiAl alloy in different environments, Wear 434–435 (2019) 202964.
[3] L. Briottet et al. Fatigue crack initiation and growth in CrMo steel under hydrogen pressure, Inter. J. of Hydrogen Energy, 40 (2015) 17021-17030.
[4] A. Shibata, Y. Madi, K. Okada, N. Tsuji, Mechanical and microstructural analysis on hydroge-related fracture in martensitic steel, Inter. J. of Hydrogen Energy, 44 (2019) 29034-29046.
[5] W. Kuang, W. D. Bennett, T. J. Roosendaal, B. W. Arey, A. Dohnalkova, G. Petrossian, K. L. Simmons, In situ friction and wear behavior of rubber materials incorporating various fillers and/or a plasticizer in high-pressure hydrogen, Tribology International 153 (2021) 106627.
[6] T. Murakami, H. Mano, K. Kaneda, M. Hata, S. Sasaki, J. Sugimura, Friction and wear properties of zirconium and niobium in a hydrogen environment, Wear 268 (2010) 721–729.
[7] P. Arnaud, S. Baydoun, S. Fouvry, Modeling adhesive and abrasive wear phenomena in fretting interfaces: A multiphysics approach coupling friction energy, third body and contact oxygenation concepts, Tribology International 161 (2021) 107077
[8] S. Baydoun, S. Fouvry, An experimental investigation of adhesive wear extension in fretting interface: Application of the contact oxygenation concept, Tribology International 147 (2020) 106266.
[9] M. Wasim, M. B. Djukic, T. D. Ngo, Influence of hydrogen-enhanced plasticity and decohesion mechanisms of hydrogen embrittlement on the fracture resistance of steel, Engineering Failure Analysis 123 (2021) 105312.
[10] D. Lopes Pinto, A. El Ouazani Tuhami, N. Osipov, Y. Madi, J. Besson, Simulation of hydrogen embrittlement of steel using mixed nonlocal finite elements, European Journal of Mechanics / A Solids (2023), soumis.

Concours pour un contrat doctoral

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