Étude de la diffusion et de la solubilité de l’hydrogène en surface et subsurface du nickel monocristallin : approches numériques et expérimentales - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Hydrogen diffusivity and solubility at the surface and subsurface of nickel single crystals, confronting numerical and experimental approaches

Étude de la diffusion et de la solubilité de l’hydrogène en surface et subsurface du nickel monocristallin : approches numériques et expérimentales

Résumé

Metallic surfaces are at the central place of stress corrosion cracking and corrosion fatigue mechanisms. These latter turn out to be the initiation site of materials damage, while exhibiting great reactivity to their environment. As they act as front doors for solutes, like hydrogen or oxygen, towards the bulk, surfaces play a key role in hydrogen embrittlement (HE) processes. In order to identify HE-tolerant metallurgical states, an understanding of H-surface interactions under stress is necessary. By investigating elementary physical mechanisms implied at the first stage of corrosion fatigue, this thesis work aims to propose a beginning in assessing the impact of the emergence of surface defects due fatigue stress (surface dislocations, slip bands, vacancies) on the apparent local diffusivity and solubility of hydrogen near the surface of nickel. The first step of this study requires however to identify the surfaces crystallographic orientation effect on these local properties, which is the raw material of this thesis. For this, we work on monocrystalline {100}, {110} and {111} surfaces of undeformed nickel at first sight, using both numerical and experimental approaches. Experimentally, a hydrogen diffusion gradient is observed for each orientation by charging nickel single crystals with a pulsed electrochemical technique. Conversely to usual permeation techniques, this double-step potentiostatic one enables the characterization of hydrogen mobility at the entrance side of the sample which was proven to be the main location for H-trapping and embrittlement. A correlation between emerging surface and subsurface defects (characterized by MO/AFM/TEM) according to the degree of cyclic deformation and the local hydrogen diffusivity is then discussed in case of Ni{110}. In parallel, calculations at the atomic scale are carried out (DFT + Phonons) in order to determine the evolution free energies of hydrogen migration from near the {100}, {110} and {111} surfaces towards the bulk. The local solubility of hydrogen is calculated and discussed in terms of lattice elastic distortion energy related to the differentiated relaxation of the surface atoms for the three orientations. A confrontation with elastic theory approach highlights the evolution of local elastic properties. Finally, bigger scales calculations through EAM are initiated to study more complex systems by adding defects, such as surface steps, giving a start for a reliable basis to interpret the interactions between hydrogen and part of the surface defects involved with a fatigue solicitation.
Les surfaces métalliques sont au centre des mécanismes de fissuration par corrosion sous contrainte et de fatigue corrosion. Celles-ci s'avèrent être le lieu principal de l'initiation de l’endommagement des métaux, tout en faisant preuve d'une grande réactivité vis-à-vis de leur environnement. Agissant en portes d'entrée pour les solutés, comme l'hydrogène ou l'oxygène,vers le cœur de la matrice métallique, les surfaces jouent un rôle clé dans les processus de fragilisation par l'hydrogène (FPH). Afin d'identifier les états métallurgiques résistants à la FPH, une compréhension des interactions H-surface sous contrainte est nécessaire. En étudiant les mécanismes physiques élémentaires impliqués aux premiers stades de fatigue-corrosion, ces travaux de thèse visent à proposer un début d'évaluation de l'impact de l'apparition de défauts de surface dus à une sollicitation en fatigue(dislocations de surface, bandes de glissement, lacunes) sur la diffusivité locale apparente et solubilité de l'hydrogène près de la surface du nickel. La première étape de cette étude nécessite cependant d'identifier l'effet de l'orientation cristallographique des surfaces sur ces propriétés locales. Cette étude constitue la majorité de cette thèse. Pour cela, nous travaillons sur des surfaces monocristallines {100}, {110} et {111} du nickel non déformé en premier lieu, à la fois par approches numériques et expérimentales. Expérimentalement, un gradient de diffusion d'hydrogène est observé pour chaque orientation en chargeant des monocristaux de nickel en hydrogène avec une technique électrochimique pulsée. Contrairement aux techniques de perméation habituelles, cette technique potentiostatique en deux étapes permet de caractériser la mobilité de l'hydrogène à l'entrée de l'échantillon qui s’avère être le principal endroit de piégeage de l’hydrogène, et donc de fragilisation. Une corrélation entre les défauts émergents en surface et en subsurface (caractérisés par MO/AFM/TEM) et la diffusivité locale de l'hydrogène est ensuite discutée dans le cas de Ni{110}. En parallèle, des calculs à l'échelle atomique sont effectués (DFT + Phonons) afin de déterminer l'évolution des énergies libres de migration de l'hydrogène du voisinage des surfaces {100}, {110} et {111} vers le nickel massif. La solubilité locale de l'hydrogène est calculée et discutée en termes d'énergie d’origine élastique liée à la relaxation différenciée des atomes de surface pour les trois orientations. Une confrontation avec la théorie élastique met en évidence l'évolution des propriétés élastiques locales. Enfin, des calculs à plus grande échelle par potentiels empiriques (EAM) sont initiés pour étudier des systèmes plus complexes en ajoutant des défauts, tels que des marches de surface, amorçant l’analyse des interactions entre l'hydrogène et les défauts émergeant en surface lors d’une sollicitation en fatigue.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04121848 , version 1 (08-06-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04121848 , version 1

Citer

Caroline Traisnel. Étude de la diffusion et de la solubilité de l’hydrogène en surface et subsurface du nickel monocristallin : approches numériques et expérimentales. Matériaux. Université de La Rochelle, 2022. Français. ⟨NNT : 2022LAROS033⟩. ⟨tel-04121848⟩
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