Atomic scale investigation of ageing in metals

par Osamu Waseda

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Julien Morthomas et de Michel Perez.

Soutenue le 13-12-2016

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science - UMR 5510 (Rhône) (laboratoire) et de Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS (laboratoire) .

Le président du jury était Charlotte Becquart.

Le jury était composé de Julien Morthomas, Michel Perez, Charlotte Becquart, Jörg Neugebauer, David Rodney, Patrice Chantrenne, Andrei Jelea, Fabienne Ribeiro.

Les rapporteurs étaient Jörg Neugebauer, David Rodney.

  • Titre traduit

    Étude à l'échelle atomique du vieillissement dans les métaux


  • Résumé

    Selon la théorie de Cottrell et Bilby, les dislocations à travers leur champ de contrainte interagissent avec les atomes de soluté qui s’agrègent au cœur et autour des dislocations (atmosphère de Cottrell). Ces atmosphères « bloquent » les dislocations et fragilisent le matériau. Dans cette thèse, les techniques de simulations à l’échelle atomique telles que la Dynamique Moléculaire, les simulations Monte Carlo Cinétique, Monte Carlo Métropolis ont été développées qui permettent de prendre en compte les interactions entre plusieurs centaines d’atomes de carbone et la dislocation, pour étudier la cinétique de formation ainsi que la structure d’une atmosphère de Cottrell. Par ailleurs, la technique de simulation est appliquée à deux autres problématiques: premièrement, il est connu que les atomes de C dans la ferrite se mettent en ordre (mise en ordre de Zener). La stabilité de cette phase est étudiée en fonction de la température et la concentration de C. Deuxièmement, la ségrégation des atomes de soluté dans les nano-cristaux de Ni ainsi que la stabilité des nano-cristaux avec les atomes de soluté dans les joints de grain à haute température est étudiée.


  • Résumé

    The objective of the thesis was to understand the microscopic features at the origin of ageing in metals. The originality of this contribution was the com- bination of three complementary computational techniques : (1) Metropolis Monte Carlo (MMC), (2) Atomic Kinetic Monte Carlo (AKMC), and, (3) Molecular Dynamics (MD). It consisted of four main sections : Firstly the ordering occurring in bulk alpha-iron via MMC and MD was studied. Various carbon contents and temperatures were investigated in order to obtain a “phase diagram”. Secondly, the generation of systems containing a dislocation interacting with many carbon atoms, namely a Cottrell Atmosphere, with MMC technique was described. The equilibrium structure of the atmosphere and the stress field around the atmospheres proves that the stress field around the dislocation was affected but not cancelled out by the atmosphere. Thirdly, the kinetics of the carbon migration and Cottrell atmosphere evolution were investigated via AKMC. The activation energies for carbon atom migration were calculated from the local stress field and the arrangement of the neigh- bouring carbon atoms. Lastly, an application of the combined use of MMC and MD to describe grain boundary segregation of solute atoms in fcc nickel was presented. The grain growth was inhibited due to the solute atoms in the grain boundary.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2019 par Doc’INSA à Villeurbanne

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Informations

  • Sous le titre : Atomic scale investigation of ageing in metals
  • Détails : 1 vol. (IV-147 p.)
  • Annexes : Bibliogr. P.137-147
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