Mécanismes élémentaires d’interaction de l’hydrogène avec une dislocation vis dans le fer-alpha
M. Lucas1) *, M. Landeiro Dos Reis1), S. Queyreau2), X. Feaugas1)
1) LaSIE, UMR CNRS 7356, Avenue Michel Crépeau, 17000 La Rochelle, France.
*margot.lucas@univ-lr.fr
2) LSPM, CNRS-ONERA, 29 Avenue de la Division Leclerc, BP 72, 92322 Chatillon Cedex, France
Résumé pour poster
L'hydrogène pénètre facilement dans les métaux et alliages, en modifiant leurs propriétés physiques [1, 2]. Il possède une faible solubilité dans le Fer-alpha, cependant diffuse aisément dans le réseau cristallin [3, 4] et interagit fortement avec les défauts (lacunes, joints de grains, dislocations...). Des phénomènes de fragilisation par l’hydrogène (FPH) peuvent, alors, être induit. Nos travaux s’inscrivent dans le cadre du projet PEPR-HYperstock dont l’objectif est de consolider les connaissances sur la FPH des aciers en vue de trouver de nouvelles solutions technologiques de distribution et de stockage de l’hydrogène. L’étude se place en amont de cet objectif en questionnant par des approches fondamentales les mécanismes élémentaires de plasticité en présence d’hydrogène [3]. A ce titre, nous nous focaliserons sur l’interaction entre l’hydrogène et les dislocations vis, défaut cristallin affectant en particulier la déformation plastique des alliages base fer.
Dans le fer-alpha, la mobilité des dislocations vis pilote les mécanismes de déformation sur une grande gamme de températures. Leurs densités sont plus importantes que les dislocations coins et leur mobilité est moindre ce qui leurs donnent une plus grande influence sur le comportement du matériau déformé [4]. L’effet de l’hydrogène sur la mobilité des dislocations reste mal connu et dépend de nombreux facteurs, tels que la vitesse de déformation, la température, l’état de contrainte interne comme appliqué, etc., qui peuvent engendrer des effets antagonistes sur les processus physiques régissant la mobilité des dislocations. Le premier effet, est le phénomène de piégeage d’hydrogène par le cœur de la dislocation. Les atomes d’hydrogène ainsi piégés vont ralentir le glissement ce qui impacte la déformation du matériau [5-7]. Le second effet est la réduction potentielle de la densité électronique local, suite à la présence de l’hydrogène dans le cœur des dislocations vis, ce qui favorise la nucléation des doubles décrochements en abaissant l’enthalpie de formation [8, 9]. La dynamique des processus reste cependant à préciser.
L’objectif principal de nos travaux est de capturer le paysage énergétique de l’hydrogène interagissant avec une dislocation vis afin d’alimenter plus tard des simulations de Monte Carlo Cinétique (KMC) à plus grande échelle.
Pour ce faire, des simulations de statique moléculaire ont été faite, en utilisant et comparant des champs de forces dérivant de potentiels interatomiques de type EAM (Embedded Atom Method) [10], MEAM (Modified Embedded Atom Method) [11] et NNIP (Neural Network Interatomic Potential ) [12]. Ils nous permettent de décrire les interactions H-Fe, V-Fe et VxHy-Fe.
Par la suite, nous avons cartographié l’énergie d’interaction de l'hydrogène autour de la dislocation, nous permettant d’identifier les sites de piégeage les plus probables. Nous avons également quantifié les énergies de migration, par la méthode NEB [6], des divers chemins de migration de l'hydrogène autour du cœur de la dislocation. L'hydrogène diffuse de sites tétraédriques (les plus stables) vers des sites octaédriques (métastables) ou bien vers d’autres sites tétraédriques. L’ensemble de ces résultats de simulations constitue une base de données de référence pour nos futures simulations. Ils ont, de plus, été confrontés à la théorie de l’élasticité en considérant l’anisotropie, ce qui a permis de dessiner les contours de son domaine de validité, et d’ouvrir la voie à des modélisations prédictives de la mobilité des dislocations.
[1] P. Ferrin et al. Hydrogen adsorption, absorption and diffusion on and in transition metal surfaces : A DFT study. Surface science 606.7-8 (2012) 679-689.
[2] F., Martin, X., Feaugas, A., Oudriss, D., Tanguy, L., Briottet, J., Kittel. State of hydrogen in matter: Fundamental ad/absorption, trapping and transport mechanisms (2019) Mechanics - Microstructure - Corrosion Coupling: Concepts, Experiments, Modeling and Cases, 171-197.
[3] D. Jiang et E.A. Carter. Diffusion of interstitial hydrogen into and through bcc Fe from first principles. Physical Review B 70.6 (2004), p. 064102.
[4] X., Feaugas, D., Delafosse. Hydrogen and crystal defects interactions: Effects on plasticity and fracture (2019) Mechanics - Microstructure - Corrosion Coupling: Concepts, Experiments, Modeling and Cases, 199-222.
[5] John Price Hirth, Jens Lothe et T Mura. « Theory of dislocations ». In : Journal of Applied Mechanics 50.2 (1983), p. 476.
[6] Vincent Gaspard. « Interactions Hydrogène–Plasticité dans les Alliages Ferritiques ». Thèse de doct. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 2014.
[7] J Chêne. « L’hydrogène dans les matériaux métalliques en relation avec les interactions plasticité-environnement ». In : PlastOx 2007-Mécanismes et Mécanique des Interactions Plasticité-Environnement 2007 (2009), p. 131-145.
[8] Daniel N Blaschke et Darby J Luscher. « Dislocation drag and its influence on elastic precursor decay ». In : International Journal of Plasticity 144 (2021), p. 103030.
[9] M Itakura et al. « The effect of hydrogen atoms on the screw dislocation mobility in bcc iron: A first-principles study ». In : Acta Materialia 61.18 (2013), p. 6857-6867.
[10] M Wen, S Fukuyama et K Yokogawa. « Atomistic simulations of effect of hydrogen on kink-pair energetics of screw dislocations in bcc iron ». In : Acta materialia 51.6 (2003), p. 1767-1773.
[11] Mao Wen. « A new interatomic potential describing Fe-H and HH interactions in bcc iron ». In : Computational Materials Science 197 (2021), p. 110640.
[12] Byeong-Joo Lee et Je-Wook Jang. « A modified embedded-atom method interatomic potential for the Fe–H system ». In : Acta Materialia 55.20 (2007), p. 6779-6788.
[13] Fan-Shun Meng et al. « General-purpose neural network interatomic potential for the α-iron and hydrogen binary system : Toward atomic-scale understanding of hydrogen embrittlement ». In : Physical Review Materials 5.11 (2021), p. 113606.
[14] Graeme Henkelman, Blas P Uberuaga et Hannes Jónsson. « A climbing image nudged elastic band method for finding saddle points and minimum energy paths ». In: The Journal of chemical physics 113.22 (2000), p. 9901-9904.
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