Modélisation de la cinétique des interactions entre l’hydrogène et les défauts dans le Fer à l’aide de la technique d’activation et de relaxation cinétique (ARTc)
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Doctorat / Doctoral
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Mots-clés
- Fragilisation par l'hydrogène
- Diffusion
- Kinetic Monte Carlo
- kART
- lacune
- Frontières de Grain
- Monte Carlo Cinétique
- La technique d’activation et de relaxation cinétique (ARTc)
- Hydrogen embrittlement
- Iron
- Vacancy
- Grain boundaries
Organisme subventionnaire
Résumé
Résumé
Le fer et les alliages à base de fer sont d'une importance cruciale dans les domaines de la science des matériaux et du génie en raison de leurs nombreuses applications industrielles, notamment dans les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale et de l'énergie. Ces matériaux sont prisés pour leur haute résistance mécanique, leur ductilité et leur résistance à la corrosion, mais leur performance peut être significativement affectée par la présence d'hydrogène, qui peut entraîner la fragilisation par l'hydrogène (Hydrogen Embrittlement, HE). La fragilisation par l'hydrogène est un phénomène où la ductilité et la résistance à la fracture du matériau sont réduites en raison de l'infiltration et de l'interaction de l'hydrogène avec le métal.
Cette thèse examine la diffusion et l'interaction de l'hydrogène (H) et des complexes H-lacune et H-frontière de grain dans le fer cubique centré (BCC) en utilisant la Technique d'Activation-Relaxation Cinétique (ARTc), une méthode avancée de Monte Carlo cinétique hors-réseau. Les principaux objectifs sont de modéliser la cinétique des interactions de l'hydrogène avec les défauts dans le fer, fournissant une compréhension complète des mécanismes derrière la HE. Les domaines clés d'investigation incluent :
1. Diffusion de l'hydrogène : Cette étude révèle que les atomes d'hydrogène peuvent diffuser rapidement et que la méthodologie ARTc découvre des chemins de diffusion complexes pour les complexes liés à l'hydrogène, révélant des variations significatives des barrières de diffusion en fonction des relations géométriques entre les atomes de fer et l'hydrogène lié. L'utilisation de ARTc permet l'exploration détaillée des chemins de diffusion et l'identification des principales barrières énergétiques qui régissent le mouvement de l'hydrogène et des défauts au sein du réseau de fer.
2. Interactions Hydrogène-lacune : Nos recherches montrent que l'hydrogène peut stabiliser les lacunes, conduisant à la formation de microvides et contribuant à l'embrittlement du matériau. À mesure que plus d'atomes d'hydrogène sont ajoutés, les lacunes se déforment et affectent le réseau sur de plus longues distances, augmentant la barrière de diffusion des complexes VHx et leur impact sur l'environnement local.
3. Effets des frontières de grain : En investiguant l'influence de l'hydrogène sur les frontières de grain dans le fer, les résultats suggèrent que la présence d'hydrogène aux frontières de grain modifie leur paysage énergétique, les rendant plus susceptibles à l'embrittlement. De plus, la présence d'hydrogène aux frontières de grain (GB) stabilise les frontières en déplaçant les barrières de diffusion vers des valeurs plus élevées et en réduisant le nombre d'événements de diffusion. Nous examinons également le comportement des lacunes et leur diffusion dans les frontières de grain saturées en H pour comprendre les lacunes observés aux pointes de fissure dans les études expérimentales.
Dans l'ensemble, cette thèse fournit un examen détaillé des changements dans le paysage énergétique des défauts dans le fer BCC en présence d'hydrogène, offrant des insights sur les mécanismes concurrents de la HE. Ces résultats forment la base de futures études visant à relier les évolutions microscopiques aux propriétés mécaniques macroscopiques du fer, contribuant à une compréhension plus large et à l'atténuation de l'embrittlement par l'hydrogène dans les applications industrielles.
Iron and iron-based alloys are critically important in the fields of materials science and engineering due to their extensive industrial applications, particularly in the automotive, aerospace, and energy sectors. These materials are prized for their high mechanical strength, ductility, and resistance to corrosion, but their performance can be significantly impacted by the presence of hydrogen, which can lead to hydrogen embrittlement (HE). Hydrogen embrittlement is a phenomenon where the material’s ductility and fracture resistance are reduced due to the ingress and interaction of hydrogen with the metal. This thesis, investigates the diffusion and interaction of hydrogen (H) and H-vacancy complexes and H-grain boundary in body-centered cubic (BCC) iron using the kinetic ActivationRelaxation Technique (kART), an advanced off-lattice kinetic Monte Carlo method. The primary objectives are to model the kinetics of hydrogen interactions with defects in iron, providing a comprehensive understanding of the mechanisms behind HE. Key areas of investigation include: 1. Hydrogen Diffusion: This study reveals that hydrogen atoms can rapidly diffuse and the kART methodology uncovers complex diffusion pathways for hydrogen-bound complexes, revealing significant variations in diffusion barriers depending on the geometric relationships between iron atoms and bound hydrogen. Utilizing kART allows for the detailed exploration of diffusion pathways and the identification of key energy barriers that govern the movement of hydrogen and defects within the iron lattice. 2. Hydrogen-Vacancy Interactions: Our research shows that hydrogen can stabilize vacancies leading to the formation of microvoids and contributing to the material’s embrittlement. As more hydrogen atoms are added, vacancies deform and affect the lattice over longer distances, increasing the diffusion barrier of the VHx complexes and their impact on the local environment. 3. Grain Boundary Effects: Investigating the influence of hydrogen on grain boundaries in iron, the findings suggest that hydrogen presence at grain boundaries alters their energy landscape, making them more susceptible to embrittlement. Moreover, the presence of hydrogen at grain boundaries (GB) stabilizes the boundaries by shifting diffusion barriers to higher values and reducing the number of diffusion events. We also examine the behavior of vacancies and their diffusion in H-saturated grain boundaries to understand the vacancies observed at crack tips in experimental studies. Overall, this thesis provides a detailed examination of the changes in the energy landscape of defects in BCC iron in the presence of hydrogen, offering insights into the competing mechanisms of HE. These findings form the basis for further studies to link microscopic evolutions with the macroscopic mechanical properties of iron, contributing to the broader understanding and mitigation of hydrogen embrittlement in industrial applications.
Iron and iron-based alloys are critically important in the fields of materials science and engineering due to their extensive industrial applications, particularly in the automotive, aerospace, and energy sectors. These materials are prized for their high mechanical strength, ductility, and resistance to corrosion, but their performance can be significantly impacted by the presence of hydrogen, which can lead to hydrogen embrittlement (HE). Hydrogen embrittlement is a phenomenon where the material’s ductility and fracture resistance are reduced due to the ingress and interaction of hydrogen with the metal. This thesis, investigates the diffusion and interaction of hydrogen (H) and H-vacancy complexes and H-grain boundary in body-centered cubic (BCC) iron using the kinetic ActivationRelaxation Technique (kART), an advanced off-lattice kinetic Monte Carlo method. The primary objectives are to model the kinetics of hydrogen interactions with defects in iron, providing a comprehensive understanding of the mechanisms behind HE. Key areas of investigation include: 1. Hydrogen Diffusion: This study reveals that hydrogen atoms can rapidly diffuse and the kART methodology uncovers complex diffusion pathways for hydrogen-bound complexes, revealing significant variations in diffusion barriers depending on the geometric relationships between iron atoms and bound hydrogen. Utilizing kART allows for the detailed exploration of diffusion pathways and the identification of key energy barriers that govern the movement of hydrogen and defects within the iron lattice. 2. Hydrogen-Vacancy Interactions: Our research shows that hydrogen can stabilize vacancies leading to the formation of microvoids and contributing to the material’s embrittlement. As more hydrogen atoms are added, vacancies deform and affect the lattice over longer distances, increasing the diffusion barrier of the VHx complexes and their impact on the local environment. 3. Grain Boundary Effects: Investigating the influence of hydrogen on grain boundaries in iron, the findings suggest that hydrogen presence at grain boundaries alters their energy landscape, making them more susceptible to embrittlement. Moreover, the presence of hydrogen at grain boundaries (GB) stabilizes the boundaries by shifting diffusion barriers to higher values and reducing the number of diffusion events. We also examine the behavior of vacancies and their diffusion in H-saturated grain boundaries to understand the vacancies observed at crack tips in experimental studies. Overall, this thesis provides a detailed examination of the changes in the energy landscape of defects in BCC iron in the presence of hydrogen, offering insights into the competing mechanisms of HE. These findings form the basis for further studies to link microscopic evolutions with the macroscopic mechanical properties of iron, contributing to the broader understanding and mitigation of hydrogen embrittlement in industrial applications.
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