Modélisation par champ de phase et atomique des interfaces hétérophases : application aux hydrures de zirconium

Phase-Field and atomic modelling of heterophase interfaces : application to zirconium hydrides

• Auteur / Autrice : Marc-Antoine Louchez
• Direction : Rémy Besson, Ludovic Thuinet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et science des matériaux
• Date : Soutenance le 20/06/2017
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité Matériaux et Transformations (Lille ; 2010-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dislocations dans les cristaux

Élasticité

Méthodes ab initio (chimie quantique)

Systèmes mésoscopiques

Simulation par ordinateur

Interfaces cristallines

Structure

Zirconium -- Alliages

Mots clés libres

Hydrures de zirconium

Simulation par champ de phase

Résumé

Le but de ce travail était de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes complexes qui sous-tendent la formation et l’évolution des hydrures dans le zirconium α et ses alliages. Dans ce contexte, des approches multi-échelles, mêlant simulations atomiques et par champ de phase, ont été employées pour aborder les propriétés structurales et énergétiques des interfaces hétérophases α|hydrures. Un intérêt particulier a été porté à l'hydrure γ-ZrH, en raison de sa stabilité et ses relations avec les chemins de précipitation controversés, via l’étude des interfaces basales et prismatiques complétée par une étude soignée des plans d’habitat. Une méthodologie originale transposable à d’autres systèmes, fondée sur la théorie microélastique combinée à des calculs ab initio, a été proposée pour estimer les énergies relatives à ces interfaces. Les résultats montrent une forte anisotropie jusque-là négligée dans la littérature. Du fait du caractère semi-cohérent des interfaces prismatiques, une évaluation correcte de leur énergie s'est révélée difficile. Une approche alternative a donc été suggérée, fondée sur un formalisme de champ de phase à même de décrire la structure de cœur des dislocations inhérentes à des interfaces prismatiques hc|cfc. Elle s’est avérée utile pour estimer la stabilité interfaciale de divers systèmes et pour prédire la perte de cohérence d’un germe croissant. Il a été montré que l'hydrure ζ-Zr2H cohérent constituerait un bon précurseur de γ. Enfin, l'emploi de la théorie microélastique aux interfaces α|hydrures a clairement indiqué la préférence pour des plans d'habitat pyramidaux πI. Un effet notable de la teneur en hydrogène a aussi été observé.

The goal of this work was to contribute to a better understanding of the complex mechanisms underpinning the formation and evolution of hydrides in α zirconium and its alloys. In this context, multi-scale approaches combining atomic and phase-field simulations were employed to address the structural and energetic properties of heterophase α|hydrides interfaces. A peculiar attention was focused on the γ-ZrH hydride due to its controversed stability and to its supposed role one many sequences of precipitation. In particular, the study was concentrated on the basal and prismatic interfaces complemented by a meticulous study of the habit planes. An original methodology, transferable to other systems and based on the microelasticity theory combined with ab initio calculations, was proposed to estimate the energies related to these interfaces. The results show a strong anisotropy hitherto neglected in the literature. Due to the semi-coherent nature of prismatic interfaces, a correct evaluation of its energy was proven to be difficult. Thus, an alternative approach, grounded in a phase-field formalism and able to describe the core structure of inherent dislocations in prismatic interfaces, has been suggested. This approach turned out useful to estimate the interfacial stability of various systems as well as to predict the coherency loss of a growing seed. It has been showed that the coherent ζ-Zr2H hydride could constitute a good precursor of γ-hydride. Finally, the application of the microelasticity theory to α|hydrides interfaces has clearly showed a preference for πI pyramidal habit planes where a significant effect of hydrogen content in the hydride has also been observed.