Influence de l'hydrogène gazeux sur la vitesse de propagation d'une fissure de fatigue dans les métaux : approche expérimentale et modélisation

par Giovambattista Bilotta

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Gilbert Hénaff, Damien Halm et de Mandana Arzaghi.

Le président du jury était Xavier Feaugas.

Le jury était composé de Francisco Javier Belzunce Varela, Jader Furtado.

Les rapporteurs étaient Monique Gasperini, Stéphane Marie.


  • Résumé

    L’objectif principal de ce travail est la compréhension des mécanismes qui gouvernent la fissuration assistée par l’hydrogène dans les métaux, en s’appuyant sur l’analyse expérimentale de la propagation des fissures en atmosphère hydrogénant et de l’interaction entre hydrogène et défauts cristallins, et sur le développement d’un modèle de zone cohésive influencé par l’hydrogène.Des essais de propagation de fissure de fatigue ont été réalisés sous haute pression d'hydrogène gazeux sur le fer de pureté commerciale Armco. Les résultats montrent une forte influence de la pression, de la fréquence et de la valeur de ΔK sur la modification des modes de rupture, et, par conséquent, sur les vitesses de propagation. Afin d’identifier les paramètres physiques pertinents qui gouvernent les modes de rupture, une étude sur l’interaction entre hydrogène et défauts cristallins développés lors d’une sollicitation cyclique a été réalisée. Nous avons observé une augmentation de l’absorption totale d’hydrogène avec la déformation plastique cumulée, qui peut être attribuée à l’augmentation du piégeage de l'hydrogène par les dislocations générées au cours de la déformation. Ces données seront ensuite introduites dans un modèle pour reproduire la modification de la diffusion de l’hydrogène en pointe de fissure, et son effet sur la plasticité.Par ailleurs, des mesures de la déformation plastique hors plan en pointe de fissure en présence d’hydrogène ont permis de proposer une amélioration d’un modèle de zone cohésive en introduisant un effet de l’hydrogène sur le comportement plastique des éléments de volume. De plus, l'étude des composantes de la loi de diffusion de Krom a montré l'importance du gradient de contrainte hydrostatique sur la diffusion et l'accumulation de l'hydrogène en pointe de fissure. Le modèle prédit une forte dépendance de la propagation de fissures vis-à-vis de la diffusion de l’hydrogène en pointe de fissure, et est capable de simuler la propagation de fissure sous chargement statique, validant ainsi la superposition d’une composante de fissuration cyclique et d’une contribution statique (due à la présence d’hydrogène), et expliquant la transition des vitesses de propagation observée expérimentalement.

  • Titre traduit

    Influence of Gaseous Hydrogen on the Fatigue Crack Propagation Rate in Metals : Experimental Approach and Modeling


  • Résumé

    The main purpose of this work is to understand the mechanisms that govern hydrogen assisted cracking in metals, based on the experimental analysis of crack propagation data under gaseous hydrogen and the interaction between hydrogen and lattice defects on the one hand, and on the development of a cohesive zone model influenced by hydrogen on the other hand.Fatigue crack propagation tests were performed under high pressure of gaseous hydrogen on the Armco iron. The results show a strong influence of the pressure, the frequency and the ΔK value, on the modification of the failure modes and on the fatigue crack growth rates. In order to identify the physical parameters that govern the changing of the failure modes, a study on the interaction between hydrogen and the crystallographic defects developed during a cyclic loading was performed. We observe an increase in the total absorption of hydrogen with the cumulated plastic deformation, which can be attributed to the increase in the hydrogen trapping by the dislocations generated during the cyclic deformation. These data have to be introduced into a numerical model to reproduce the modification of the hydrogen diffusion at the crack tip, and its effect on plasticity.Moreover, measurements of the out-of-plane plastic deformation at the crack tip in presence of hydrogen have conducted to an improvement of the cohesive zone model by introducing an effect of hydrogen on the plastic behavior of the volume elements. In addition, the study of Krom diffusion law components has shown the importance of the hydrostatic stress gradient on the diffusion and accumulation of hydrogen at the crack tip. The model predicts a strong dependence of the crack propagation with respect to the hydrogen diffusion at the crack tip, and it is able to simulate the propagation under static load, thus validating the cyclic cracking and static cracking superposition, and explaining the transient regime in fatigue crack growth rates experimentally observed.


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