Gonflement des aciers sous l’effet de l’hydrogène dissous en solution solide

Steel swelling under the effect of dissolved hydrogen in solid solution

Consultant, 36 Chemin Mirassou, 64140 Lons, France
jean-louis.crolet@wanadoo.fr

Reçu : 26 Avril 2015
Accepté : 31 Août 2015

Résumé

Le gonflement des aciers sous l’effet de l’hydrogène dissous résulte de l’interprétation directe de l’expérience pétrolière en service, et il était précédemment expliqué par un supposé effet stérique dans le modèle historique obsolète de l’hydrogène dit atomique. Or ce modèle a été remplacé depuis par le concept moderne d’un hydrogène dissous dissocié en électron de conduction et proton H⁺. Cet article utilise alors des calculs approchés classiques de la Physique du Solide pour quantifier l’écrantage électronique de ce proton dans le fer α. Ceci permet ainsi de retrouver toutes les propriétés si caractéristiques de l’hydrogène dissous dans la ferrite, à savoir insertion en site interstitiels, très grande vitesse de diffusion et faible solubilité, mais surtout un gonflement de la matrice aux conséquences potentiellement immenses en métallurgie et corrosion. De même, la géométrie de la maille cristalline et le ferromagnétisme des alliages ferreux à réseau cubique centré expliquent aussi pour la première fois la symétrie α/γ vis-à-vis de la solubilité et de la mobilité de l’hydrogène. La validation du concept par l’étonnante précision d’un calcul très simple du coefficient de diffusion de l’hydrogène dans le fer α valide donc également son utilisation dans le chargement cathodique en hydrogène, ainsi que dans la rupture différée par l’hydrogène ou par H₂S. L’article fait également ressortir le caractère très complémentaire entre la précision potentielle de vrais calculs ab initio et la meilleure compréhension physique de ce calcul injustement dit approché.

Abstract

Steel swelling under the effect of dissolved hydrogen in solid solution results from the direct interpretation of the oil and gas field experience, and it was previously explained by a supposedly steric effect in the historical and obsolete model of the so called atomic hydrogen. This model was later replaced by the more up-to-date concept of dissolved hydrogen dissociated into conduction electron and proton H⁺. In this article, classical approximate Solid State Physics calculations are used for quantifying the electronic screening of such proton in α iron, and this actually fits the so characteristic features of dissolved hydrogen in ferrite, namely insertion in interstitial sites, very high diffusion rate and low solubility, and best of all, matrix swelling and its immense potential consequences in metallurgy and corrosion. Furthermore, the geometry of the lattice cell and the ferromagnetism of iron based alloys with a body centred cubic lattice also explain for the first time the α/γ symmetry versus hydrogen solubility and mobility. The validation of the concept by the astonishing accuracy of a very simple calculation of the hydrogen diffusion coefficient also validates its implementation in cathodic hydrogen charging, as well as hydrogen or sulfide stress cracking. This paper also emphasizes the complementarity between the potential accuracy of genuine ab initio calculations and the better physical understanding of this calculation unduly called approximate.