Mécanique

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

MADI Yazid

MORGENEYER Thilo

Centre des Matériaux

30/04/2024

Fragilisation par hydrogène, essais mécaniques, tomographie, mécanismes d'endommagement

Hydrogen embrittlement, mechanical testing, tomography, damage micromechanisms

Dans le contexte des efforts de décarbonisation de l'industrie européenne, l'hydrogène 'vert' apparaît comme un élément important. Cependant, son stockage et son transport posent des défis importants en raison de la fragilisation de l'hydrogène qui affecte de nombreux matériaux métalliques. Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet Horizon de l'Union européenne, impliquant des institutions de recherche européennes de premier plan et des fabricants d'acier pour relever ces défis. L'objectif principal de cette étude est d'identifier les altérations du comportement des matériaux des aciers destinés au transport et au stockage de l'hydrogène lorsqu'ils sont exposés à un environnement riche en hydrogène. Cette étude se concentrera principalement sur un acier inoxydable austénitique et un acier bainitique, en accordant une attention particulière aux soudures, qui sont des points critiques dans l'infrastructure de l'hydrogène. Les essais mécaniques seront effectués sur des échantillons miniaturisés, d'une taille de quelques millimètres, dans une enceinte sous pression d'hydrogène au Centre des Matériaux. Cela permettra un examen approfondi de la fragilisation par l'hydrogène dans diverses conditions, notamment la vitesse de déformation, la précontrainte, la triaxialité des contraintes et la pression de l'hydrogène. Un aspect distinctif de cette étude est sa nature collaborative, avec un autre projet de doctorat (PHD-TOMO) pour les essais mécaniques in situ sous microtomographie synchrotron (SOLEIL Synchrotron) et l'extension de sa coopération à toutes les institutions de l'Union européenne participant au projet. Cette collaboration a pour but de visualiser et d'analyser les mécanismes d'endommagement dans la masse des spécimens, permettant ainsi une compréhension globale de l'endommagement induit par l'hydrogène. L'objectif final de PHD-MECA est d'intégrer les résultats des caractérisations mécaniques pour construire un modèle élaboré des mécanismes de fragilisation par l'hydrogène dans les aciers sélectionnés, y compris les zones de soudure critiques. Ce modèle servira d'outil fondamental pour prédire et atténuer les défaillances induites par l'hydrogène dans la future infrastructure de l'hydrogène, favorisant ainsi le déploiement sûr et efficace des technologies de l'hydrogène pour un avenir énergétique durable.

In the context of the European industry's decarbonization efforts, 'green' hydrogen emerges as a important component. However, its storage and transportation pose significant challenges due to hydrogen embrittlement affecting numerous metallic materials. This thesis is set within the framework of a Horizon project by the European Union, involving leading European research institutions and steel manufacturers to address these challenges. The core objective of this study is to identify the alterations in material behavior of steels designated for hydrogen transportation and storage when exposed to a hydrogen-rich environment. This investigation will primarily focus on an austenitic stainless steel and a bainitic steel, paying special attention of welds, which are critical points in hydrogen infrastructure.Mechanical testing will be conducted on miniaturized samples, a few millimeters in size, within a hydrogen gas pressure chamber at the Centre des Matériaux. This will facilitate an in-depth examination of hydrogen embrittlement under varying conditions, including strain rate, pre-strain, stress triaxiality, hydrogen pressure. A distinctive aspect of this study is its collaborative nature, with another doctoral project (PHD-TOMO) for in situ mechanical testing under synchrotron microtomography (SOLEIL Synchrotron) and extending its cooperation to all the European Union institutions participating in the project. This collaboration aims to visualize and analyze damage mechanisms within the bulk of the specimens, thereby providing a comprehensive understanding of hydrogen-induced damage. The final goal of PHD-MECA is to integrate the results from mechanical characterizations to construct an elaborate model of hydrogen embrittlement mechanisms in the selected steels, including the critical weld areas. This model will serve as a foundational tool for predicting and mitigating hydrogen-induced failures in the future hydrogen infrastructure, thereby supporting the safe and efficient deployment of hydrogen technologies for a sustainable energy future.

Dans le cadre de la transition vers des sources d'énergie décarbonées, l'hydrogène 'vert', produit par électrolyse de l'eau à l'aide d'électricité faiblement carbonée, joue un rôle crucial. Actuellement, le déploiement des technologies de l'hydrogène nécessite un effort considérable pour développer les infrastructures existantes et garantir leur sécurité. Un défi majeur réside dans le fait que l'hydrogène peut altérer les propriétés mécaniques des matériaux métalliques, en raison d'un phénomène appelé fragilisation par hydrogène. Ce phénomène réduit la ductilité, la ténacité à la rupture et les propriétés de fatigue des matériaux [Dmytrakh 2017, Wang 2022]. Étant donné que l'hydrogène est stocké et transporté sous diverses formes, il est crucial de comprendre la fragilisation par l'hydrogène et de trouver des moyens de la prévenir. Pour le stockage, les aciers inoxydables sont privilégiés pour leur résistance à la fragilisation par hydrogène, et leur comportement à des températures cryogéniques est d'un intérêt particulier puisque l'hydrogène liquide est stocké à très basse température pour une densité énergétique optimale. Cependant, la soudure de ces matériaux peut représenter une faiblesse structurale. Pour le transport de l'hydrogène, des aciers moins coûteux comme les aciers bainitiques sont envisagés, bien qu'ils soient plus susceptibles à la fragilisation par hydrogène.

Ce projet de thèse s'inscrit dans le cadre du projet HyWay, financé par Horizon Europe, qui se concentre sur la caractérisation et la simulation multi-échelle pour évaluer la fragilisation par hydrogène. HyWay réunit plusieurs partenaires académiques et industriels, offrant au doctorant l'opportunité de développer son réseau professionnel. Parmi les partenaires académiques figurent le Max Planck (Allemagne), VTT (Finlande), Aalto (Finlande), NTNU (Norvège) et KU Leuven (Belgique). Les partenaires industriels comprennent OCAS (ArcelorMittal), Aperam, Sidenor et Nardi.

Directeur de Thèse 1 : Yazid MADI
Directeur de thèse 2 : Thilo MORGENEYER

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) :

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-paristech.fr

Les résultats attendus de cette thèse vont contribuer significativement à notre compréhension de l'effet de l'hydrogène sur les matériaux métalliques. Les essais macroscopiques permettront d'extraire les propriétés mécaniques fondamentales et de quantifier l'impact du (pré)chargement de l'hydrogène. La caractérisation microstructurale fournira des données pour proposer des mécanismes spécifiques de déformation. L'exploitation des données de tomographie synchrotron se fera au moyen de logiciels dédiés basés sur Python, permettant l'extraction précise de paramètres clés tels que la fraction volumique des vides, leur distribution, forme et dimensions. Cette analyse 3D approfondie, couplée au suivi en temps réel de l'évolution des vides pendant les essais mécaniques in situ, fournira une base de données statistiques inédite. Ces informations, illustrant l'évolution de l'endommagement sous chargement hydrogène, seront cruciales pour étayer et confirmer les modèles d'endommagement développés en collaboration avec les partenaires du projet.
En somme, cette recherche apportera des éclaircissements précieux sur la fragilisation par l'hydrogène, contribuant à la conception de matériaux plus résilients et à la mise en œuvre sécurisée des technologies de l'hydrogène dans le futur.

L'objectif principal de cette thèse est de dévoiler comment la présence d'hydrogène influence les mécanismes de déformation et d'endommagement des matériaux métalliques. Pour ce faire, l'étude se concentrera sur l'analyse de l'impact de divers facteurs, tels que la vitesse de déformation, la pré-déformation, la triaxialité des contraintes, sur la fragilisation par l'hydrogène. Une méthodologie expérimentale sera développée pour tester les échantillons préchargés en hydrogène à l'aide de la tomographie synchrotron in situ aux rayons X, permettant une observation directe des processus internes en action. Cette approche vise à comparer qualitativement et quantitativement les différences dans les mécanismes d'endommagement entre les échantillons exposés à l'hydrogène et ceux non exposés.
De plus, l'étude portera une attention particulière à l'effet de la structure polycristalline des matériaux sur les mécanismes d'endommagement. L'objectif est d'établir une corrélation précise entre la microstructure des matériaux et leur comportement en présence d'hydrogène. Les résultats de cette recherche pourraient offrir des perspectives importantes pour la conception de matériaux plus résistants à la fragilisation par l'hydrogène, contribuant ainsi à l'avancement des technologies de l'hydrogène sécuritaires et efficaces.

[Kumar 2023] R. Kumar, J. Besson, A. King, A. Dahl, et T. F. Morgeneyer, Int. J. Fract., vol. 239, no 2, p. 233 254, févr. 2023.
[Madi 2024] Y. Madi, L. M. Santana, S. Belkacemi, V. Farrugia, A. Meddour, P.-J. Marchais, M. Bertin, L. Furtado. Engineering Failure Analysis, accepted, special issue about Hydrogen embrittlement, 2024.
[Dmytrakh 2017] I. M. Dmytrakh, R. L. Leshchak, A. M. Syrotyuk, et R. A. Barna, Int. J. Hydrog. Energy, vol. 42, no 9, p. 6401 6408, mars 2017.
[Wang 2022] Y. Wang et al., Acta Mater., vol. 227, p. 117658, avr. 2022.
[Herbig 2011] Herbig, M., King, A., Reischig, P., Proudhon, H., Lauridsen, E. M., Marrow, J., ... & Ludwig, W. (2011). Acta Materialia, 59(2), 590-601.

Partenariat d'entreprises ou d'associations

https://www.adum.fr/script/downloadfile.pl?type=78&ID=56697