Modélisation multi-échelles de la diffusion de l'hydrogène dans un polycristal de nickel // Multi-scale modelling of hydrogen diffusion in a nickel polycrystal

La diffusion et la ségrégation des espèces chimiques dans les solides sont deux phénomènes qui se déroulent à l'échelle atomique, et il est donc nécessaire de les étudier à cette échelle avant de pouvoir en tirer des coefficients effectifs comparables aux expériences. Au cours des dernières années, nous avons développé des outils de physique statistique qui nous permettent d'avoir une approche déterministe et quantitative des phénomènes de ségrégation en prenant en compte la répartition des espèces au sein d'une microstructure [6], ainsi que des phénomènes de transport de matière dans des structures de plus en plus complexes [7]. Sur ce dernier point, le code KineCluE [8] développé au CEA/SRMP a récemment été étendu au calcul de coefficients de transport dans des systèmes inhomogènes, c'est-à-dire contenant au moins une interface. L'objectif de cette thèse est d'appliquer ces nouveaux outils au problème de la fragilisation par l'hydrogène dans le nickel, et d'aller aussi loin que possible dans le changement d'échelle pour être capable de modéliser la répartition de l'hydrogène au cours du temps dans un polycristal.

Pour réaliser l'exploration du paysage énergétique à l'échelle atomique et trouver les structures de joints de grain les plus stables et les énergies d'interactions entre l'hydrogène et les joints de grains, nous nous appuierons sur des potentiels interatomiques déjà existants et utilisés par le passé pour ce type de problème [9, 10]. Nous utiliserons ensuite le code KineCluE pour quantifier l'effet d'un grand nombre de joints de grains sur les propriétés de transport de l'hydrogène, à la fois dans le plan du joint et dans la direction normale au plan du joint. Enfin nous réaliserons une simulation en éléments finis de la diffusion dans un polycristal de nickel [11], en nous appuyant sur les propriétés de transport calculées à l'étape précédente et spécifiques à chaque joint de grain.

La microstructure modélisée sera choisie de façon à reproduire celle d'échantillons observés d'abord en Electron Back-Scattered Diffraction (EBSD) pour avoir l'orientation relative des grains puis soumis à des expériences de perméation d'hydrogène réalisées par l'étudiant(e) à l'Ecole des Mines de Saint-Etienne (EMSE). Nous pourrons alors comparer les coefficients de diffusion effectifs calculés au cours de la simulation à ceux mesurés expérimentalement. Toujours à l'EMSE, nous essaierons également de réaliser d'obtenir des informations locales de coefficients de diffusion sur un joint de grain particulier qui seraient directement comparables aux résultats des calculs KineCluE. Ces données seront obtenues soit via des expériences de Scanning Kelvin Probe Force Microscopy (SKPFM) [12], soit en utilisant les propriétés d'hydrogénochromie de la polyaniline (méthode PANI), [13-15]. Ces deux procédés expérimentaux sont actuellement en développement à l'EMSE.

En fonction de l'avancement de la thèse nous pourrons explorer différentes pistes complémentaires, comme par exemple la prise en compte d'une déformation globale via le formalisme des dipôles élastiques [16, 17] ou l'effet des interactions hydrogène-lacunes [18, 19].
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The diffusion and segregation of chemical species in solids are two phenomena that occur at the atomic scale, and it is therefore necessary to study them at this scale before effective coefficients comparable to experiments can be derived. In recent years, we have developed statistical physics tools that enable us to take a deterministic and quantitative approach to segregation phenomena by taking into account the distribution of species within a microstructure [6], as well as mass transport phenomena in increasingly complex structures [7]. On this last point, the KineCluE code [8] developed at CEA/SRMP has recently been extended to the calculation of transport coefficients in inhomogeneous systems, i.e. containing at least one interface. The aim of this thesis is to apply these new tools to the problem of hydrogen embrittlement in nickel, and to go as far as possible in changing the scale in order to be able to model the distribution of hydrogen over time in a polycrystal.

To explore the energy landscape at the atomic scale and find the most stable grain boundary structures and the interaction energies between hydrogen and grain boundaries, we will rely on existing interatomic potentials that have been used in the past for this type of problem [9, 10]. We will then use the KineCluE code to quantify the effect of a large number of grain boundaries on hydrogen transport properties, both in the plane of the boundary and in the direction normal to the plane of the boundary. Finally, we will perform a finite element simulation of diffusion in a nickel polycrystal [11], based on the transport properties calculated in the previous step and specific to each grain boundary.

The modelled microstructure will be chosen to reproduce that of samples first observed by Electron Back-Scattered Diffraction (EBSD) to obtain the relative orientation of the grains, then subjected to hydrogen permeation experiments carried out by the student at the Ecole des Mines de Saint-Etienne (EMSE). We will then be able to compare the effective diffusion coefficients calculated during the simulation with those measured experimentally. Also at the EMSE, we will attempt to obtain local diffusion coefficient information on a particular grain boundary that will be directly comparable with the results of the KineCluE calculations. These data will be obtained either through Scanning Kelvin Probe Force Microscopy (SKPFM) experiments [12] or by using the hydrogenochromic properties of polyaniline (PANI method) [13-15]. Both experimental methods are currently being developed at the EMSE.

Depending on the progress of the thesis, we will be able to explore various complementary avenues, such as taking into account global deformation via the elastic dipole formalism [16, 17] or the effect of hydrogen-vacancy interactions [18, 19].
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Début de la thèse : 09/10/2025

Financement d'un établissement public Français

Mines Saint-Etienne

488 SIS - Sciences Ingénierie Santé

Master de recherche ou diplôme d'ingénieur en physique ou science des matériaux
Master's degree in physics or materials science