Numerical approach of the scale transitions applied to the diffusion and the trapping of hydrogen in metals with heterogeneous structures

par Esaïe Legrand

Thèse de doctorat en Génie des matériaux

Sous la direction de Sébastien Touzain.

Soutenue le 11-10-2013

à La Rochelle , dans le cadre de École doctorale Sciences et ingénierie en matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique - SIMMEA (Poitiers) , en partenariat avec Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur pour l'Environnement (laboratoire) .

Le président du jury était Monique Gasperini.

Le jury était composé de Thierry Couvant, Dongsheng Li, Xavier Feaugas, Jamaa Bouhattate.

Les rapporteurs étaient Benoît Panicaud, Jean-Marc Olive.

  • Titre traduit

    Approche numérique des transitions d’échelles appliquées à la diffusion et au piégeage de l’hydrogène dans des métaux de structures hétérogènes


  • Résumé

    Nos travaux se focalisent sur l’impact des hétérogénéités structurales sur la diffusion de l’hydrogène dans les métaux. Dans ce cadre, des essais de perméation sont simulés par la méthode des éléments finis, afin de comprendre l’impact des caractéristiques métallurgiques sur les données extraites lors de ce type d’analyse. Afin de pouvoir séparer les différents mécanismes intervenant lors de la diffusion, l’étude est conduite en plusieurs étapes. A l’échelle de la membrane, les effets du piégeage et de la présence d’une couche d’oxyde à la surface du matériau sont considérés. Tandis que le piégeage et la couche d’oxyde diminuent tous deux la diffusivité effective, leurs effets sont opposés sur les concentrations en hydrogène en subsurface mesurées. D’autre part, les effets du piégeage lors de la désorption de l’hydrogène sont plus particulièrement étudiés. Il s’avère nécessaire de prendre en considération les fréquences de saut des atomes d’hydrogène afin de se rapprocher des données expérimentales. Ces premières études ayant portées sur des membranes homogènes, nous nous sommes consacrés, dans une dernière partie, aux effets de la microstructure sur la diffusion. Pour cela, nous considérons l’influence des joints de grains dits « généraux », qui se comportent comme des courts-circuits de diffusion pour l’hydrogène. La microstructure entraîne l’apparition d’effets d’échelle, lorsque l’épaisseur de la membrane se rapproche de la taille de grains. Qui plus est, en considérant un modèle à trois dimensions, les triples joints amplifient ces effets d’échelle, notamment dans le cas de matériaux nanocrystallins.


  • Résumé

    Our work focuses on the impact of structural heterogeneities on the diffusion of hydrogen in metals. In this context, permeation tests are simulated using the finite element methods, to understand the effects of the metallurgical properties on the data extracted with such analysis. To separate the different mechanisms occurring during diffusion, the study is led by several steps. At the scale of the membrane, the effects of trapping and the presence of an oxide layer at the surface of the material are considered. While the trapping and the surface layer both slow down the effective diffusivity, their effects are opposed on the measured hydrogen subsurface concentrations. On the other hand, the effects of trapping during the desorption are more specifically studied. It appears that taking into account the jump frequencies of the hydrogen atoms is required to get closer to the experimental data. Since the first studies dealt with homogeneous membranes, we focus in a last part on the effects of the microstructure on hydrogen diffusion. To do so, we consider the influence of “random” grain boundaries, acting as hydrogen diffusion short-circuits. Scale effects appear due to the microstructure when the membrane thickness approaches the grain size. Moreover, by using a three-dimensional model, triple junctions emphasize the scale effects, especially for nanocrystalline materials.


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