1- Calcul garanti de diagrammes de phases
Figure : le logiciel CALIPH développé en collaboration entre le LS2N et l’IMN et soutenu par CNRS Innovation (Programmes Prématuration et OPEN) est le seul au monde à garantir le calcul et le tracé des diagrammes binaires ou ternaires.
Depuis le tout premier diagramme de phase de Sir William Chandler Roberts-Austen en 1875, les bases de données métallurgiques se sont constamment étoffées afin de guider la compréhension mais surtout la recherche de nouveaux alliages aux propriétés optimisées. Pour combler les manques incontournables, des modèles prédictifs (CALPHAD …) et aujourd’hui des outils de l’intelligence artificielle s’appuient sur ces diagrammes pour prendre des décisions par exemple dans le contexte de l’ingénierie computationnelle intégrée des matériaux (ICME).
Pourtant, pour de nombreux systèmes aussi simples qu’un alliage binaire, il est aisé de mettre en évidence des lacunes dans les tracés des diagrammes telles que des phases absentes, des limites de solubilité fausses, voire des tracés stoppés nets sans raison physique. L’origine de ces écueils est liée à la même méthode de calcul que partagent tous les logiciels – gratuits ou commerciaux – du marché académique et industriel. Jusqu’à présent, seule la perspicacité et la persévérance de l’utilisateur permettaient alors de tenter de sortir de l’ornière.
Le nouveau logiciel CALIPH, issu d’une collaboration entre l’IMN et le LS2N, et soutenu par CNRS Innovation (projets Prématuration et Open) évite tous les écueils précités : les diagrammes tracés sont tous exacts, (aucune phase manquante et des limites de solubilité exactes), parfaitement reproductibles (indépendants de toute initialisation) et obtenus de façon autonome, à savoir sans recours à l’utilisateur. Enfin, ses temps de calcul sont comparables aux logiciels courants, ce qui en fait un outil de choix pour intégration dans des chaines automatisées de conception d’alliages.
Expertises : thermodynamique numérique, ICME
Mots clés : thermodynamique, diagramme de phases, calcul garanti
Collaborations : A. Goldsztejn, C. Jermann (LS2N)
Personnes de l’IMN concernées : I. Braems
Projet de recherche en cours : Programme OPEN de CNRS Innovation
Publications : dépôt APP + déclaration d’invention déposée
2- Fragilisation des métaux par l’hydrogène
Figure : mise en évidence du rôle crucial de la teneur en manganèse pour l’amélioration de la résistance d’aciers ferritiques à la fragilisation par l’hydrogène en milieu cryogénique (calculs DFT).
La fragilisation par l’hydrogène restreint l’utilisation des aciers ferritiques comme réservoirs de stockage pour des environnement riches en hydrogène liquide, en raison de la décohésion induite par l’hydrogène. A l’aide de calculs premiers-principes nous étudions les phénomènes de cohésion et ségrégation du manganèse (Mn) et leur influence sur la résistance à la fragilisation de l’hydrogène via les propriétés mécaniques de deux joints de grain caractéristiques Σ5(013)[100] (Σ5) et Σ3(1-12)[110] (Σ3). On montre l’importance de la microstructure : pour Σ5, Mn induit une inversion dans l’énergétique de l’hydrogène dépendant de la teneur en Mn: à faible teneur le piègeage intrinsèque est affaibli, les teneurs intermédiaires approfondissent les pièges au-delà du cas du fer pur, et le taux de couverture maximal élimine les pièges et rend l’insertion de (H) thermodynamiquement défavorable. Pour Σ3, Mn supprime les pièges de H de façon monotone sans produire de régime intermédiaire de stabilisation.
Ces résultats réconcilient des résultats de la littérature apparemment en conflit en montrant que Mn n’est ni universellement fragilisant ni universellement solidifiante ; ses effets dépendent de la structure du joint de grain, de la concentration et du taux d’occupation des sites. Piloter cette teneur peut donc grandement renforcer l’action résistance des aciers ferritiques pour leur utilisation comme réservoir d’hydrogène liquide.
Expertises : Thermodynamique, Propriétés mécaniques, Calculs de Structure Electroniques, Joints de Grain, Ségrégation
Mots clés : Fragilisation par l’hydrogène, stockage de l’hydrogène, aciers ferritiques, calculs DFT
Collaborations : N. Stanford, D. Evans, Future Studies Institute/ University of South Australia (Adelaïde, Australie)
Personnes de l’IMN concernées : Ravi Raj, Isabelle Braems-Abbaspour
Publications majeures (2 soumises) :
- [1] Ravi Raj, Drew Evans, Nikki Stanford and Isabelle Braems , Grain Boundary-specific effects of Mn concentration on hydrogen trapping and embrittlement in bcc Fe: A spin-polarised DFT study, M aterials Science & Engineering A (submitted)
- [2] Ravi Raj, Isabelle Braems, Drew Evans, Ky Nam Mai and Nikki Stanford, Hydrogen Embrittlement Mechanisms in Ferritic Steel at Cryogenic Temperatures under impact loading conditions, International Journal of Hydrogen Energy (submitted)
