Analyse expérimentale et numérique de l’essai de disque de rupture : Cas de l’acier AISI 4135 testé sous hydrogène gazeux

par Kevin Ardon

Thèse de doctorat en Mécanique des Matériaux

Sous la direction de Monique Gasperini et de Yann Charles.

Soutenue le 23-06-2015

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis) , en partenariat avec Université Paris 13 (établissement de préparation) et de Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (laboratoire) .

Le président du jury était Brigitte Bacroix.

Le jury était composé de Patrice JOUINOT, Hervé Barthélemy, Jader Furtado.

Les rapporteurs étaient Gilbert Hénaff, Pierre Yves Manach.


  • Résumé

    Ce travail est consacré à l’analyse expérimentale et numérique de l’essai normalisé de disque à rupture utilisé pour la sélection des matériaux métalliques sensibles à l’hydrogène et vise notamment à évaluer la potentielle extension de l’essai à des pressions plus élevées. L’étude a porté sur un acier AISI 4135 constitutif des bouteilles de stockage d’hydrogène gazeux. Des essais de disques réalisés sous He et sous H₂ ont permis d’étudier l’influence de différents paramètres sur les pressions de rupture et de disposer de courbes flèche-pression expérimentales.La réponse de l’essai pour des pressions supérieures au domaine d’usage actuel a été étudiée avec des disques de différentes épaisseurs. La caractérisation par MEB-EBSD de disques rompus ou fissurés a permis d’observer la fissuration à différentes échelles dans la microstructure bainitique. La simulation par éléments finis de l’essai de disque a permis d’analyser l’influence de différents paramètres sur la distribution des champs mécaniques dans le disque et a conduit à une confrontation satisfaisante avec les résultats expérimentaux. Les pressions de rupture sous He ont été obtenues par une simulation d’endommagement ductile, et les pressions de rupture sous H₂ ont été décrites à l’aide d’éléments cohésifs. Les distributions d’hydrogène diffusif et piégé dans le matériau au cours de l’essai de disque ont été obtenues par la prise en compte de la diffusion assistée par la pression hydrostatique et de l’évolution du piégeage avec la déformation plastique.L’extension de la simulation à l’échelle du polycristal ouvre la voie à des critères de fragilisation tenant compte des hétérogénéités microstructurales.

  • Titre traduit

    Non communiqué


  • Résumé

    This work focused on the experimental and numerical analysis of the normalized disk pressure test used to select metallic materials hydrogen sensitive and particularly aimed to evaluate the potential extension of the test to higher pressures. The study focused on an AISI 4135 steel, which composed hydrogen gas storage vessels. Disk pressure tests had been leading under helium and hydrogen gas in order to study the influence of some parameters on failure pressures and to obtain experimental deflection-pressure curves. The response of the test for pressures higher than in the usual domain of specifications was studied for different disk thickness. SEM-EBSD characterization of failed or cracked disks allowed examining cracks at different scales in the bainitic microstructure. Finite element simulations of disk pressure test permitted to analyze the influence of different parameters on mechanical field distributions in the disk and led to a satisfying comparison with experimental results. Helium failure pressures were obtained by a ductile damage computation ; and hydrogen failure pressures were described thanks to a cohesive elements model. Distributions of diffusive and trapped hydrogen in the material during a disk pressure test were obtained considering hydrogen diffusion is assisted by the hydrostatic pressure and the evolution of trapping with strain. Extension of the simulation at polycrystalline scale open the way to embrittlement index ; taking into account microstructural heterogeneities.



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