Modélisation ab-initio des dislocations dans les métaux de transition cubiques centrés

Ab initio modelling of screw dislocations in body-centered cubic transition metals

• Auteur / Autrice : Lucile Dezerald
• Direction : David Rodney, François Willaime, Lisa Ventelon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 01/10/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de recherches de métallurgie physique (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 201X-2023)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Blase
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Rodney, François Willaime, Lisa Ventelon, Harley Johnson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoit Devincre, Philippe Carrez

Mots clés

Mots clés libres

Calculs ab initio

Dislocation vis

Potentiel de Peierls

Métaux cubiques centrés

Ab initio calculations

Screw dislocation

Peierls potential

Body-centered cubic metals

Résumé

Nous avons réalisé des calculs de structure électronique ab initio, basés sur la théorie de lafonctionnelle de la densité (DFT), pour étudier les propriétés des dislocations vis h111i dansles métaux de transition cubiques centrés (V, Nb, Ta, Mo, W et Fe). Dans tous ces éléments,le coeur facile non-dégénéré est la configuration d’énergie minimale et la configuration de coeurdissociée a une énergie très élevée, comparable ou plus élevée que celle du coeur difficile, encontradiction avec les prédictions des potentiels interatomiques. Nous avons mis en évidence destendances de groupe marquées sur l’énergie de coeur de la dislocation facile, reliées à la positiondu niveau de Fermi par rapport au minimum du pseudo-gap de la densité d’états électroniques.Notre travail fait aussi apparaitre un comportement atypique du fer, avec une énergie relativedu coeur difficile basse, proche de celle du point col entre deux coeurs faciles, conduisant à unpotentiel de Peierls plat autour de la configuration difficile, contrairement aux autres éléments.A partir de ces calculs DFT, nous avons construit le paysage énergétique à deux dimensionsdans le plan {111} (potentiel de Peierls) et nous avons étudié plusieurs propriétés relativesau glissement des dislocations, et en particulier l’énergie de formation de la paire de décrochementset la dépendance de la contrainte de Peierls en fonction de l’orientation cristalline.Nous proposons une modification simple de la loi de Schmid, qui prend en compte la trajectoirenon rectiligne de la dislocation et qui permet d’expliquer qualitativement pourquoi l’asymétriemaclage/antimaclage est moins marquée dans Fe que dans les autres métaux cubiques centrés.

We performed electronic structure ab initio calculations based on density functional theory(DFT) to study the h111i screw dislocation properties in body-centered cubic transition metals(V, Nb, Ta, Mo, W and Fe). In all investigated elements, the nondegenerate easy coreis the minimum energy configuration and the split core configuration has a high energy nearor above that of the hard core, contrary to interatomic potential predictions. A strong groupdependence of the core energy of the easy dislocation is also evidenced, related to the positionof the Fermi level with respect to the minimum of the pseudogap of the electronic density ofstates. Our work also reveals an atypical behavior in Fe, with a low relative energy at the hardcore position, close to that of the saddle configuration between easy cores, resulting in a flatPeierls potential around the hard core configuration, at variance with other elements. Fromthese DFT calculations, the two-dimensional energetic landscape in the {111} plane (Peierlspotential) is constructed and we investigated several properties of dislocation glide and in particular,the kink-pair formation enthalpy, as well as the dependence of the Peierls stress oncrystal orientation. We proposed a simple modification to the Schmid law that takes accountof the non-straight trajectory of the dislocation and that qualitatively explains why the twinning/antitwinning asymmetry is less pronounced in Fe than in other body-centered cubic metals.