Modelling of hydrogen diffusion in heterogeneous materials : implications of the grain boundary connectivity

par Bachir Osman Hoch

Thèse de doctorat en Génie des matériaux

Sous la direction de Xavier Feaugas et de Jamaa Bouhattate.

Le président du jury était Dongsheng Li.

Le jury était composé de Xavier Feaugas, Jamaa Bouhattate, Dongsheng Li, Vigdis Olden, Monique Gasperini, Thierry Couvant, François Willot, Arnaud Metsue.

Les rapporteurs étaient Vigdis Olden, Monique Gasperini.

  • Titre traduit

    Modélisation de la diffusion de l’hydrogène dans les matériaux hétérogènes : implications de la connectivité des joints de grains


  • Résumé

    La diffusion de l’hydrogène dans les métaux est un paramètre clef pour la compréhension des mécanismes de base de la fragilisation par l’hydrogène. Néanmoins, le rôle des joints de grains dans le processus de diffusion de cet élément reste à éclaircir. Avec une approche numérique, nous avons étudié les effets d’un réseau hétérogène de joints de grains sur la diffusivité macroscopique de l’hydrogène. Pour cela, des essais de perméation ont été simulés par la méthode des éléments finis, en modélisant le matériau comme un composite formé d’une phase intra-associée aux grains et deux phases intergranulaires, avec des propriétés de diffusion différentes. Nous avons montré, en caractérisant la topologie et la connectivité du réseau des joints de grains, qu’il existe des fortes corrélations entre les paramètres de connectivité et le coefficient de diffusion effectif. Il a été démontré également que ces corrélations sont plus importantes dans les matériaux nanocristallins. De plus, en utilisant une approche d’homogénéisation, il a été mis en évidence que le coefficient de diffusion effectif est contrôlé par le caractère percolant du réseau des joints de grains, sans pour autant avoir le même seuil de percolation que ces derniers. Une seconde étude, utilisant des microstructures de nickel obtenues par cartographies EBSD, a permis d’évaluer l’écart entre la connectivité des modèles simplifiés et les structures réelles. Cette étude a permis également de confronter les coefficients de diffusion effectifs obtenus par la simulation à des données de la littérature. En parallèle, une étude expérimentale a été conduite sur le nickel pour analyser l’influence des joints de grains sur la distribution locale de l’hydrogène. Les résultats ont montré des corrélations importantes entre la nature du joint de grains et le profil de concentration de l’hydrogène autour de ce joint, qui ne peuvent pas être expliquées uniquement par le processus de diffusion.


  • Résumé

    The diffusion of hydrogen in metals is a key factor for understanding the basic mechanisms of hydrogen embrittlement. However, the contribution of grain boundaries to the hydrogen diffusion is not well established. In this this work, we first investigated the effects of a heterogeneous grain boundary networks on the effective diffusivity in polycrystalline materials, using finite elements modeling. To do so, hydrogen diffusion through heterogeneous materials, modeled by a ternary continuum composite media, was simulated. We showed, by characterizing the grain-boundary connectivity, that there are strong correlations between the grain-boundary connectivity parameters and the effective diffusivity. It was found also that these correlations are more significant for nanocrystalline materials. Moreover, by using a homogenization method, it was evidenced that the percolation behavior of the effective diffusivity is controlled by the grain-boundary network evolution, without exhibiting the same percolation threshold than the latter. A second approach, using EBSD-based microstructures, was conducted to evaluate the effect of microstructural constraints on the grain boundary connectivity and to compare the effective diffusivity numerically obtained with experimental data on polycrystalline nickel from literature. In parallel, experimental analyses were performed to analyze the effects of the grain boundaries on the local hydrogen concentration. This highlighted the significant impact of grain-boundary character on the hydrogen distribution around grain boundaries, which can not be explained by the only diffusion process.


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