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GENERALITES SUR L’HYDROGENE ET L’ACIER MARTENSITIQUE
Hydrogène
Définition
Elément chimique le plus abondant dans l’univers, l’hydrogène (H) est classé en première place du tableau de Mendeleïev. Il s’agit de l’atome le plus simple et le plus léger : il est constitué d’un noyau contenant un proton et d’un électron périphérique. La molécule de dihydrogène, constituée de deux atomes d’hydrogène, est aussi communément appelée « hydrogène ».
Caractéristiques
Les caractéristiques de l’hydrogène lui confèrent une forte mobilité dans les matériaux cristallins. La présence de sites interstitiels et de défauts microstructuraux tels que les dislocations et les joints de grains peut contribuer au transport de l’hydrogène.
Propriétés
Le dihydrogène se présente comme un gaz transparent aux conditions normales de température et de pression. De nombreux métaux ont la propriété d’absorber l’hydrogène, ce qui peut les rendre cassant, pour l’acier notamment. La plupart du temps, l’hydrogène est présent sous forme diatomique mais il peut exister en atomes seuls à haute température. C’est un agent réducteur. Il réduit notamment certains sels pour former leur état métallique, par exemple : NaH, KH, H2S…
Risques de l’hydrogène sur la santé
L’hydrogène est extrêmement inflammable et produit des composés qui le sont eux aussi. Leur simple chauffage peut provoquer de violentes explosions [1].
Acier
On appelle acier un matériau dont le fer est l’élément prédominant et dont la teneur en carbone est généralement inférieure à 2 % et qui contient d’autres éléments [15]. Un nombre limité d’aciers au chrome peut avoir une teneur en carbone supérieure à 2 %, mais cette valeur de 2 % est la teneur limite courante qui sépare l’acier de la fonte. On appelle Martensite, une solution solide de fer sursaturée en carbone, à structure quadratique. Structure en aiguilles, typique de la trempe, obtenue uniquement si la vitesse de refroidissement est supérieure à la vitesse critique de trempe martensitique. Associée à l’austénite résiduelle en proportions variables selon la température finale de la trempe. Ferromagnétique, très dure et fragile.
Les aciers, alliages Fe-C à teneur inférieure à 2 % C, ont des microstructures qui correspondent toujours aux équilibres du diagramme Fe-Fe3C. Ils traversent tous le domaine monophasé γ au cours de leur refroidissement et contiennent à l’équilibre une plus ou moins grande proportion du mélange eutectoïde lamellaire (α + Fe3C) formé en E1, appelé perlite.
Austénite : Solution solide cfc de carbone dans le fer γ. Ductile. Stable uniquement au-dessus de la ligne A1 dans les aciers non alliés.
Ferrite : Solution solide cc de carbone dans le fer α. Ductile et peu dure (Re ≈ 300 MPa, HV ≈ 80, A ≈ 50 %).
Perlite : Mélange eutectoïde d’environ 88 % de ferrite et 12 % de cémentite sous forme de fines lamelles alternées (Re ≈800 MPa, HV ≈ 200, A ≈ 10 %).
Ferrite + perlite : Mélange caractéristique des aciers hypoeutectoïdes. Proportions variables selon la teneur en carbone. Les grains de ferrite germent le long des joints de grains de l’austénite au refroidissement à la traversée du domaine α + γ.
Perlite + cémentite : Mélange caractéristique des aciers hypereutectoïdes. Proportions variables selon la teneur en carbone, mais n’excédant jamais 20 % de cémentite dans les aciers. Le réseau de cémentite se forme le long des joints de grains de l’austénite au refroidissement à la traversée du domaine γ + Fe3C.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I : GENERALITES SUR L’HYDROGENE ET L’ACIER MARTENSITIQUE
I.1-Hydrogène
I.1.1-Définition
I.1.2-Caractéristiques
I.1.3-Propriétés
I.1.4-Risques de l’hydrogène sur la santé
I.2-Acier
I.3-Métallurgie des aciers martensitiques
I.3.1-Nature de la transformation martensitique et cristallographie
I.3.2-Microstructure à interfaces multiples
I.3.3-L’état de précipitation
I.3.4-Les dislocations
I.3.5-Les lacunes
I.3.6-Synthèse : récapitulatif des échelles d’hétérogénéités
CHAPITRE II : INTERACTION HYDROGENE METAL
II.1-Transport de l’hydrogène au sein du métal
I.1.1-Sources d’hydrogène
II.1.2-Microstructure de l’acier
II.1.3-Piégeage de l’hydrogène dans la microstructure
II.1.4-Diffusion d’hydrogène dans l’acier
II.2-Absorption d’hydrogène gazeux
II.2.1-Dissociation et adsorption
II.2.2-Phase d’absorption
II.2.3-Mécanismes d’entrée d’hydrogène dans le métal
II.3-Fragilisation des aciers par l’hydrogène
II.3.1-Fragilisation par l’hydrogène interne
II.3.2-Fragilisation par l’hydrogène externe, sous forte activité
CHAPITRE III : ELASTICITE LINEAIRE
III.1-CONCEPTS FONDAMENTAUX DE L’ELASTICITE LINEAIRE
III.1.1-Definition
III.1.2-Comportement des matériaux réels
III.2-EQUATIONS DE L’ELASTICITE LINEAIRE
III.2.1-Essai de traction simple : Module d’YOUNG
III.2.2-Loi de HOOKE généralisée
III.3-Modules d’élasticité
III.3.1-Définition des modules d’élasticité
III.3.2-Matrice des constantes d’élasticité des matériaux anisotropes
III.4-PLASTICITE
III.4.1-Definition
III.4.2- CRITERES DE PLASTICITE GENERAUX
CHAPITRE IV : METHODOLOGIE
IV.1-Observation expérimentale
IV.1.1-Identification de l’échantillon
IV.1.2-Caractérisations mécanique
IV.2-Interprétation des courbes obtenues
IV.2.1-Courbe N°1 : Eprouvette hydrogéné
IV.2.2-Courbe N°2 : Acier sain
IV.2.3-Conclusion
IV.3- Equation du transport d’hydrogène
IV.3.1- Hydrogène diffusible
IV.3.2-Equilibre local
IV.3.3-Formulation du problème
IV.3-Discrétisation du problème couplé
IV.3.1-Formulation forte
IV.3.2-Formulation faible
IV.3.3-Discretisation en temps
IV.3.4-Calcul du vecteur résidu et de la matrice Jacobienne
IV.4-Formulation du problème couplé
CHAPITRE V : MODELISATION ET SIMULATION DU COUPLAGE DIFFUSION D’HYDROGENE ET PLASTICITE
V.1-Introduction à COMSOL
V.1.1-Interface de COMSOL 5.0
V.1.2-Création du modèle de simulation
V.1.3-Construction de la géométrie
V.1.4-Définition des paramètres
V.2-Modélisation de la plasticité
V.3-Modélisation de la diffusion d’hydrogène
V.4-Ajout des propriétés du matériau
V.5-Ajout des conditions sur frontières
V.6-Maillage
V.7-Interprétation des résultats et discussion
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIES
ANNEXES
