Energy landscape of defects in body-centered cubic metals.

Résumé : Les matériaux composants les réacteurs nucléaires subissent des conditions d’irradiationsévères, donnant lieu à des modifications de leurs propriétés mécaniques. Le vieillissement de cesmatériaux soulève des questions aussi importantes que celles liées à la sécurité des centrales existantes etaux futurs réacteurs à fission et à fusion. Dans plusieurs situations les matériaux de structure cristallinecubique centrée CC sont utilisés ayant pour base le fer, le tungstène, le vanadium et le tantale. Lescollisions entre les particules irradiantes et les atomes constituants les matériaux engendrent des défautsponctuels dont la migration mène à la formation d’amas responsables du vieillissement. Dans cette thèsenous avons étudié les propriétés énergétiques des défauts ponctuels dans les métaux CC citésprécédemment à l’échelle atomique. La modélisation des défauts ponctuels à l’échelle atomique peut êtreréalisée avec différentes méthodes se différenciant uniquement par la qualité de la description del’interaction entre atomes. Les études utilisant des interactions atomiques exactes, type ab initio,nécessitent des calculs lourds rendant impossible l’étude directe des amas de grandes tailles. Avec lamodélisation des interactions atomiques via les potentiels semi-empiriques on réduit la fiabilité et lecaractère prédictif du calcul. Ceux-ci permettent toutefois de réaliser une étude des amas en fonction deleur taille. Dans cette thèse nous avons développé un modèle énergétique original pour les boucles dedislocation ainsi que pour les amas interstitiels tridimensionnels de type C15. Le modèle obtenu est sanslimite de taille et peut être paramétré entièrement par les calculs ab initio. Afin de tester sa robustessepour les grandes tailles d’amas nous avons également paramétré ce modèle par rapport à des calculs enpotentiels semi-empiriques et comparé les prédictions du modèle aux simulations atomiques. Grâce ànotre développement nous avons pu déterminer : (i) la stabilité relative des boucles de dislocationd’interstitiels d’après leur vecteur de Burgers. (ii) La stabilité des amas C15 par rapport aux amas de typeboucle. Nous avons montré que les amas de type C15 étaient plus stables lorsqu’ils impliquent moins de41 interstitiels dans le fer. (iii) Dans le Ta nous avons pu mettre en évidence la même stabilité jusqu’à 20interstitiels. Les expériences dans le fer irradié montrent qu’en fonction de la température d’irradiation, ilse forme des boucles de dislocation très mobiles de vecteur de Burgers ½<111> ou immobiles ayant unvecteur de Burgers <100>. Les mécanismes de formation sous irradiation en fonction de la température,des amas de type <100> étaient une question restée sans explication théorique depuis 50 ans. Dans cettethèse, grâce à la précision de notre modèle énergétique, nous avons pu tester plusieurs théories.Notamment nous avons montré que les amas C15 constituent un catalyseur dans la formation des boucles<100>. Les clusters C15 peuvent se former, par germination, directement dans le processus d’irradiation.Ces clusters sont immobiles et peuvent croitre. A partir d’une certaine taille les amas C15 se dissocienten boucles ½ <111> ou <100>. Nous avons étendu notre modèle au calcul d’énergie libre de formationdes défauts permettant ainsi des prédictions à température finie que nous avons comparées auxsimulations atomiques. Les lois établies dans cette thèse en utilisant notre modéle pour calculer l’énergielibre de formation en fonctions de la taille des amas, ont été ensuite utilisées dans une simulation dedynamique d’amas. Nous avons ainsi pu prédire avec un très bon accord expérience-théorie laconcentration des amas d’interstitiels en fonction de leurs tailles au cours du murissement d’Oswald postirradiationdans un échantillon de Fer sous atmosphère d’Hélium. Le succès d’une telle approche nouspermet d’espérer étendre ce type d’étude à des matériaux plus complexes.
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Thèse
Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Université Paris-Saclay, 2016. English. 〈NNT : 2016SACLX072〉
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Soumis le : mardi 21 mars 2017 - 03:55:09
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Rebecca Alexander. Energy landscape of defects in body-centered cubic metals.. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Université Paris-Saclay, 2016. English. 〈NNT : 2016SACLX072〉. 〈tel-01493117〉

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