Une étude dirigée par l'Université d'Oxford et les chercheurs de Brookhaven National Laboratory a révélé comment l'exposition aux atomes d'hydrogène modifie dynamiquement la structure interne de l'acier inoxydable. Les résultats révèlent que l'hydrogène permet aux défauts internes de l'acier de se déplacer d'une manière qui n'est normalement pas possible – ce qui peut entraîner une défaillance inattendue.
Cette découverte offre des informations vitales qui pourraient aider à rendre les systèmes de carburant d'hydrogène plus sûrs et plus fiables, des réacteurs d'avions et de fusion aux pipelines et aux réservoirs de stockage. L'étude est publiée dans Matériaux avancés.
Dans une première expérience mondiale, l'équipe a utilisé une technique d'imagerie aux rayons X avancée pour suivre comment les petits défauts à l'intérieur de l'acier inoxydable (appelé dislocations) répondent à l'exposition à l'hydrogène. Ceci est crucial pour comprendre comment l'hydrogène peut faire affaiblir ou échouer les métaux, et pourrait guider la conception des alliages de nouvelle génération pour une économie en croissance de l'hydrogène.
Le chercheur principal, le Dr David Yang (Brookhaven National Laboratory), a déclaré: «L'hydrogène a un grand potentiel en tant que support d'énergie propre, mais il est connu pour fabriquer des matériaux avec lesquels il est en contact plus fragile. et les usines de fusion nucléaire. «
Alors que les pays visent à passer à des systèmes énergétiques sans fossile, l'hydrogène a été présenté comme le carburant idéal pour les secteurs difficiles à décarboniser, tels que l'expédition, l'aviation et le fret lourd. Cependant, l'hydrogène peut provoquer des fissures inattendues dans les métaux (connus sous le nom d'embrimasslement de l'hydrogène) qui menace l'intégrité des vaisseaux à haute pression, des pipelines et des composants critiques dans les systèmes d'énergie.
Alors que les ingénieurs savent depuis longtemps que l'hydrogène affecte les performances des métaux, les mécanismes précis à l'échelle atomique sont restés insaisissables, car l'hydrogène est très difficile à détecter.
L'étude du chercheur principal, le professeur Felix Hofmann (Département des sciences de l'ingénierie, Université d'Oxford), a expliqué: « En utilisant la diffraction cohérente des rayons X, une méthode non destructive, nous avons pu regarder des événements à l'échelle atomique se dérouler en temps réel à l'intérieur du métal solide sans couper l'échantillon. Il a été extrêmement passionnant d'analyser ce comportement et de ne pas s'attendre à ce puzzle.
Pour découvrir ce que fait l'hydrogène à l'intérieur du matériau, les chercheurs ont utilisé une ligne de faisceau ultra-brillante à la source de photons avancée aux États-Unis pour concentrer les rayons X sur un seul grain en acier inoxydable, environ 700 nanomètres de diamètre. Ils ont ensuite appliqué une technique appelée imagerie de diffraction cohérente Bragg pour mesurer comment la structure interne de ce grain a changé au fil du temps.
Dans cette méthode, les rayons X sont dispersés par le réseau cristallin, créant un motif d'interférence complexe. Cela peut être reconstruit pour révéler la structure du grain, les défauts cristallins et comment ils déforment le réseau autour d'eux.
En imaginant le grain d'acier sur 12 heures, l'expérience a révélé trois changements clés une fois l'hydrogène introduit:
- Les dislocations sont devenues de façon inattendue. Les défauts internes ont commencé à se déplacer et à se remodeler, même sans stress externe supplémentaire. Cela suggère que l'hydrogène agit comme un lubrifiant à l'échelle atomique, ce qui permet aux défauts de se déplacer plus facilement.
- Un mouvement hors plan surprenant de défauts a été observé. Ce changement à la hausse, connu sous le nom de «montée», est inattendu et signale que l'hydrogène permet aux atomes de se réorganiser de manière qui n'est généralement pas possible à température ambiante. On pense que ce processus joue un rôle essentiel dans la réduction de la dureté des alliages.
- Le champ de déformation environnant de la dislocation s'est sensiblement réduit à mesure que l'hydrogène s'est accumulé. Un champ de déformation est la zone autour d'un défaut où les atomes sont poussés ou retirés, permettant au matériau de s'adapter au défaut. Cette étude fournit la première mesure expérimentale 3D directe d'un effet à long terme appelé blindage élastique d'hydrogène, où l'hydrogène réduit les champs de déformation des défauts, protégeant efficacement le métal environnant de la contrainte.
Ces résultats aident à expliquer pourquoi l'hydrogène peut entraîner une défaillance inattendue dans les métaux, car il permet aux défauts internes de se déplacer plus facilement et d'une manière qui n'est normalement pas possible.
Selon les chercheurs, le travail informe directement comment modéliser et prédire les performances des matériaux dans des environnements d'hydrogène, en alimentant les cadres de simulation à plusieurs échelles utilisés par l'industrie. Il pointe également vers des stratégies potentielles pour l'ingénierie de nouveaux alliages qui offrent une plus grande résistance à l'embrimance de l'hydrogène.
Le professeur Hofmann a ajouté: « Cette recherche n'est possible qu'en raison de la disponibilité de faisceaux de rayons X extrêmement brillants et cohérents dans des sources internationales de synchrotron. Les résultats sont très complémentaires à l'information de la microscopie électronique et des simulations. Nous planifions maintenant des expériences encore plus sophistiquées pour aider à étudier la conception de l'hydrogène des autres types de défauts.
L'étude a également impliqué des chercheurs du Argonne National Laboratory (États-Unis) et du University College de Londres.
