DS03 - Stimuler le renouveau industriel

Inititation des fissures dans le nickel sous fatigue et flux d'hydrogène – CRACKHINIT

Résumé de soumission

Nous proposons d’étudier un des mécanismes élémentaires impliqués dans les processus de fatigue – corrosion en présence d’hydrogène dans le nickel durant le projet CRACKHINIT. Ici, nous focalisons notre étude sur les phénomènes de fragilisation par l’hydrogène en fatigue qui affectent la durabilité des structures mécaniques dans l’industrie mais qui sont également en relation avec les problématiques actuelles de développement durable. Les processus étudiés sont intimement liés aux interactions entre l’hydrogène, les lacunes et la surface du matériau sous un état de contrainte et restent encore mal comprises. En particulier, ces interactions peuvent affecter de façon significative la solubilité et la diffusion du soluté mais également la formation et la mobilité des lacunes durant l’essai de fatigue dû à la formation des bandes de cisaillement à la surface. L’approche mise en œuvre durant cette étude combine des calculs ab initio à l’échelle atomique et une partie expérimentale réalisée sur des monocristaux en déformation cyclique sous flux d’hydrogène ou bien après un pré chargement ex situ. Le matériau retenu est le nickel pour sa large gamme d’applications dans l’industrie mais également parce que ses propriétés sont étudiées au laboratoire depuis de nombreuses années. La surface et les couches en sous-surface du matériau après l’essai de fatigue sont caractérisées du point de vue densité de défauts et rugosité (i.e. la hauteur des marches induites par les bandes de cisaillement). Les concentrations et les coefficients de diffusion de l’hydrogène et des lacunes dans les couches en sous-surface sont déterminés pour différents états de déformation et/ou différents flux avec des techniques électrochimiques et calorimétriques. Les calculs à l’échelle atomique sont réalisés à température finie sur des supercellules construites à partir de la répétition du cristal cfc du nickel pour déterminer les énergies associées aux concentrations et aux coefficients de diffusion du soluté et des lacunes sur des surfaces orientées (100), (110) et (111) ainsi que dans les couches en sous-surface. La température est prise en compte par le calcul de l’énergie libre à partir des contributions associées aux vibrations du réseau et aux excitations électroniques. Nous conduirons des calculs supplémentaires pour tenir compte des effets d’une contrainte externe ainsi que de la présence d’une marche à la surface qui modélise les premières étapes de l’émergence des bandes de cisaillement. La comparaison entre les données expérimentales et les calculs ab initio mettront en avant le paramètre le plus influent (état de surface, contrainte, hauteur des bandes de cisaillement) sur la solubilité et la diffusion de l’hydrogène mais également sur la formation et la mobilité des lacunes durant l’essai de fatigue. La formalisation de ces résultats permettra le développement de nouveaux modèles macroscopiques et la définition de critères d’endommagement dans les situations de fatigue – corrosion en présence d’hydrogène. Ces modèles et ces critères aideront à la conception de nouveaux états métallurgiques résistant à la fragilisation par l’hydrogène et pourront être transférés aux industries par la suite.

Coordination du projet

Arnaud METSUE (Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur pour l'Environnement)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LaSIE Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur pour l'Environnement

Aide de l'ANR 207 360 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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