Étude numérique de l’interaction d’un atome de carbone avec la dislocation vis dans le fer

Numerical study of the interaction between a carbon atom and a screw dislocation in iron

• Auteur / Autrice : Quoc Hoang Nguyen
• Direction : Charlotte Becquart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 04/12/2009
• Etablissement(s) : Lille 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Courbes contrainte-déformation

Détérioration

Plasticité

Acier au carbone

Énergie de liaison

Simulation par ordinateur

Dislocations dans les métaux

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

Doubles décrochements

Atmosphère de Cottrell

Résumé

Les aciers de structures sont sujets aux phénomène de vieillissement sous déformation qui se traduit, par exemple, par des modifications de la limite d'élasticité, une augmentation du durcissement et une diminution de la ductilité. Le vieillissement statique est associé aux pics et aux paliers de Lüders, tandis que le vieillissement dynamique est associé à l'effet Portevin - Le Chatelier, responsable de la localisation de la plasticité et des instabilités mécaniques. L'origine de ces comportements macroscopiques provient des interactions fortes à l'échelle atomique entre les atomes de soluté, et en particulier le carbone, et les dislocations. Ce travail de thèse se propose de caractériser l'interaction entre un atome de carbone en site interstitiel octaédnque et une dislocation vis par des simulations numériques à l'échelle atomique, Les propriétés des dislocations dans le fer cubique centré étant étroitement liées à la structure de cœur des dislocations, structure dépendant elle-même fortement du potentiel interatomique utilisé, ce travail a été effectué à l'aide d'un potentiel d'interaction empirique récemment mis au point et qui reproduit correctement la structure non dégénérée du cœur de la dislocation vis, comme le prédisent les calculs ab initio, Dans un premier temps, do:s calculs de statique moléculaire ont permis de déterminer les énergies d'interaction entre la dislocation et le carbone pour diverses positions de ce dernier. Une étude dynamique a ensuite été menée permettant de déterminer de manière qualitative l'influence du carbone sur le mouvement de la dislocation et le développement des mécanismes fondamentaux de la plasticité. Les simulations effectuées dans le cadre de cette thèse s'inscrivent dans la démarche de la modélisation multi-échelles dont l'objectif à long terme est de prédire l'évolution des propriétés des matériaux en se basant sur des mécanismes physiques élémentaires décrits depuis les échelles atomiques,

Carbon is one of the most frequent foreign interstitial atoms in the iron matrix, The presence of even a very little amount of these impurities can have a drastic inl1uence on the steel properties, It is well know that the strong interaction between interstitial solute carbon atoms and dislocations drive many mechanical properties of steels, ln partieular, it has important effects on the yield stress and is responsible of mechanical instabilities observed during the static strain ageing, which implies the formation of Cottrell atmosphere (Lüders' band), and the dynamic strain ageing, which occurs generally at high temperature and involves a competitive motion of dislocations and interstitial atoms (Portevin - Le Chatelier effect). This thesis work aims at characterizing the interaction between an interstitial carbon atom and a dislocation by means of numerical simulations at the atomistic scale. Since the properties of dislocations in body-centered cubic iron rely mainly on the dislocation core structure which depends on the interatomic potential used, this work has been carried out with a newly designed empirical potential which describes correctly the non degenerated screw dislocation core structure, as predicted by ab initio calculations. ln a first part, molecular statics has been used to determine the binding energy between the screw dislocation and a carbon atom, placed in different positions, ln a second part, dynamical simulations have been performed by applying a constant shear strain to the simulation box which makes the dislocation move on its gliding plane, ln the course of these simulations, 3 types of behaviour were observed, When the dislocation arrives close to the carbon atom, it can keep moving on its plane, ln a second scenario, the dislocation changes of slip plane, this is a typical exemple of cross slip. ln the 3rd type of behaviour, it is the carbon atom which moves when the dislocation is too close to it. It can jump to an adjacent octahedral site of the same plane or move onto another plane, The kind of behaviour observed depends on the local structure of the dislocation core in the vinicity of the carbon atom which intluence can be felt only lor short interaction distances. The simulations carried out in the frameworks of this thesis, are part of a multiscale modeling approach, which aims at predicting the evolution of material properties, based on the knowledge of the atomic structure and properties of elementar processes, i,e, processeses occuring at the atomic level.