Mécanique

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

MORGENEYER Thilo

PROUDHON Henry

Centre des Matériaux

30/04/2024

Fragilisation par hydrogène, tomographie, mécanismes d'endommagement

Hydrogen embrittlement, tomography, damage micromechanisms

: L'hydrogène 'vert' produit par electrolyse à partir d'électricité bas carbone va contribuer à la décarbonation de l'industrie européenne. Son stockage et son transport constituent cependant un défi car l'hydrogène fragilise de nombreux matériaux métalliques. La présente thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet Horizon 2030 de l'Union européenne impliquant des institutions de recherche de premier plan et des fabricants d'acier. L'objectif de l'étude est d'identifier le changement des micromécanismes d'endommagement dans les aciers utilisés pour le transport et le stockage de l'hydrogène. Pour atteindre cet objectif, des essais mécaniques seront effectués sur un acier inoxydable austénitique et un acier bainitique, y compris en présence de soudures. Une caractérisation avancée de la microstructure (FIB-EBSD, tomographie à contraste de diffraction) sera utilisée pour explorer le lien entre les caractéristiques microstructurales et les mécanismes d'endommagement. Une partie importante de l'étude s'appuiera sur des essais mécaniques in situ sous microtomographie synchrotron pour accéder aux dommages dans l'intérieur de l'échantillon pendant les essais et analyser l'effet de la présence d'hydrogène. La (pré)charge d'hydrogène sera effectuée dans l'enceinte sous pression d'hydrogène du Centre des Matériaux en coopération avec un deuxième doctorand. Des échantillons prélevés dans des éprouvettes plates de mécanique de la rupture obtenus par des essais interrompus seront également scannés par tomographie. L'objectif final est d'utiliser ces résultats de caractérisation multi-échelles pour construire une compréhension complète des changements de mécanismes de dommages induits par l'hydrogène dans les aciers étudiés, y compris les soudures.

For European industry decarbonization, ‘green' hydrogen may be an important component. Its storage and transport are, however, a challenge as hydrogen embrittles numerous metallic materials. The present thesis will take place in the framework of a Horizon project of the European Union involving leading European research institutions and steel manufacturers. The aim of the study is to identify the change of damage micromechanisms in steels used for hydrogen transportation and storage. To achieve this aim, mechanical testing will be carried out for an austenitic stainless steel and a bainitic steel including the presence of welds. Advanced microstructure characterization (FIB-EBSD, diffraction contrast tomography) will be used to explore the linkage between microstructural features and damage mechanisms. A significant part of the study will leverage in situ mechanical testing under synchrotron microtomography to access damage in the bulk of the specimen during the tests and analyze the effect of the presence of hydrogen. Hydrogen (pre)charging will be perfomed in the hydrogen pressure chamber in the Centre des Matériaux in cooperation with a second PhD student. Samples cut from flat fracture mechanics samples obtained by interrupted testing will also be tomography scanned. The final goal is to use these multi-scale characterization results to build a comprehensive picture of hydrogen-induced damage mechanisms changes of the studied steels, including welds, for modelling of the hydrogen induced effects.

Dans le contexte de la décarbonation des sources d'énergie, l'hydrogène 'vert' produit par électrolyse de l'eau en utilisant de l'électricité à faible émission de carbone jouera un rôle important. Le déploiement des technologies de l'hydrogène nécessite à l'heure actuelle un effort considérable pour compléter les infrastructures existantes et en assurer la sureté. Un des défis est que l'hydrogène nuit aux propriétés mécaniques des matériaux métalliques en raison d'un phénomène connu sous le nom de fragilisation par hydrogène, qui entraîne une perte de ductilité, de ténacité à la rupture et une dégradation des propriétés en fatigue [Dmytrakh 2017, Wang 2022]. L'hydrogène étant stocké et transporté sous plusieurs formes, il est essentiel de connaître la fragilisation par l'hydrogène et de savoir comment l'éviter.
Pour la partie stockage, les aciers inoxydables sont de bons candidats car ils sont considérés comme résistants à la fragilisation par hydrogène. Ils seront étudiés à des températures cryogéniques, car l'hydrogène est considérablement refroidi pour se présenter sous une forme liquide et dense en énergie. Ces matériaux doivent être soudés, ce qui peut constituer un point faible de la structure. Pour le transport de l'hydrogène, des aciers moins alliés et plus abordables sont à l'étude, tels que les aciers bainitiques qui sont néanmoins plus susceptibles de se fragiliser sous l'effet de l'hydrogène.

Ce projet de thèse prend place au sein du projet HyWay financé par Horizon Europe et porte sur la caractérisation et la simulation multi-échelle pour l'évaluation de la fragilisation par l'hydrogène. HyWay regroupe plusieurs partenaires académiques et industriels ce qui permettra au doctorant de développer son réseau. Les partenaires académiques du projet sont Max Planck (Allemagne), VTT (Finlande), Aalto (Finlande), NTNU (Norvège) et KU Leuven (Belgique). Les partenaires industriels sont OCAS (ArcelorMittal), Aperam, Sidenor et Nardi.

Directeur de Thèse 1 :Thilo MORGENEYER
Directeur de thèse 2 : Henry PROUDHON

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 des essais macroscopiques seront traités pour extraire les propriétés mécaniques et évaluer l'effet de la (pré)charge d'hydrogène. La caractérisation microstructurale fournira des données pour proposer des mécanismes spécifiques de déformation.
Les données de tomographie seront traitées à l'aide de codes basés sur le langage Python. Les quantités d'intérêt telles que la fraction volumique des vides, le nombre de vides, la forme et la taille seront extraites grâce à l'analyse et à la quantification d'images 3D. Le suivi systématique de l'apparition et de la croissance des vides au cours des essais mécaniques in situ permettra d'obtenir des données statistiques sans précédent décrivant l'évolution des dommages et l'effet de la charge d'hydrogène sur ces derniers. Ces mesures serviront à alimenter et à valider les modèles d'endommagement développés par les autres partenaires du projet.

L'objectif de la thèse est d'élucider les changements dans les mécanismes de déformation et d'endommagement associés à la présence d'hydrogène. L'effet de la vitesse de déformation, de la pré-déformation, de la triaxialité des contraintes et du temps de perméation sur la fragilisation par l'hydrogène sera étudié. Une procédure expérimentale devra être développée pour permettre aux échantillons préchargés en hydrogène d'être testés au synchrotron par tomographie in situ aux rayons X. Les changements d'un préchargement en hydrogène sur les mécanismes d'endommagement lors d'essais mécaniques seront étudiés qualitativement et devront également être quantifiés. L'effet de la structure polycristalline du matériau sera également étudié dans le but d'établir un lien entre la micro-structure et les mécanismes d'endommagement.

[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.
[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.

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