Etude de la migration des joints de grain mixtes flexion-torsion dans le Ni par dynamique moléculaire

Study of mixted (tilt-twist) grain boundaries migration in Ni using molecular dynamics

• Auteur / Autrice : Zakaria El omari
• Direction : Brigitte Bacroix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique materiaux
• Date : Soutenance le 06/12/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Sorbonne Paris Nord (Bobigny, Villetaneuse, Seine-Saint-Denis ; 1970-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (....-2010)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Castelnau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Queyreau, Charlie Kahloun
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Pizzagalli, Jean-Marc Raulot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Comportement

Dynamique moléculaire

Joints de grains

Mots clés libres

Migration

Résumé

Les innovations récentes concernant les matériaux reposent beaucoup sur l’ajout et le contrôle d’interfaces. Cela est vrai pour les matériaux cristallins massifs incontournables pour les applications type structure, mais aussi pour les matériaux fonctionnels, micro-objets, ou les matériaux nanostructurés. Parmi ces interfaces il y a les joints de grains (JdGs) qui sont définis comme la frontière délimitant deux grains dont les orientations cristallographiques sont différentes. Les joints de grains contribuent fortement aux propriétés macroscopiques des matériaux. Le travail réalisé est une contribution à l’étude du comportement des joints lors de traitements thermomécaniques induisant leur mobilité. On parle de migration. En effet, Pour certains chargements thermo-mécaniques, les joints de grains (JdG) migrent dans les polycristaux métalliques. Malgré une littérature abondante sur le sujet, la compréhension du comportement collectif des dislocations et des JdG reste partielle au moins à l’échelle macroscopique. Ceci est dû, d’une part, au fait que plusieurs forces motrices sont actives simultanément dans les expériences sur polycristaux : (i) la tension de surface d’un joint courbé (ii) le différentiel d’énergie élastique pour les matériaux anisotrope élastiquement et (iii) enfin, la dernière force motrice est l’origine du couplage plasticité-migration. D'autre part, la mobilité des interfaces est intimement liée à leur structure atomique. Le présent travail se propose d’étudier théoriquement par simulation atomistique la migration en lien avec la structure des JdG. Des simulations de migration de JdG par dynamique Moléculaire, sous l’action d’une force motrice synthétique, sont réalisées. Une large variété de JdG, représentée par des bicristaux de Nickel, est étudiée. La mobilité des JdG est discutée en particulier pour différents plans du JdG et températures. A travers cette étude,trois caractères vis-à-vis de la température ont été observés : caractère thermoactivé, caractère athermique, et caractère antithermique. A ces caractères s’ajoutent d'autres comportements variant avec la température. Les simulations ont permis aussi l’identification de quelques mécanismes élémentaires de migration pour des JdG simples. Les JdG présentant une migration par formation de marche ou de disconnections ont été étudiés par la suite par la méthode Nudged Elastic Band. Cette méthode a permis de déterminer le chemin de minimum énergie lors de la migration. L’évolution du joint de grains lors de sa migration montre la nucléation et le déplacement des marches, identifiées comme des disconnections.

Recent innovations in materials rely heavily on the addition and control of interfaces.This is true for massive crystalline materials that are essential for structural applications, but also for functional materials, micro-objects, or nanostructured materials. Among these interfaces are the grain boundaries (GBs) which are defined as the boundary delimiting two grains with different crystallographic orientations.Grain boundaries strongly contribute to the macroscopic properties of materials. The work done is a contribution to the study of the behavior of GBs during thermomechanical treatments inducing their mobility. We are talking about migration. Indeed, during a thermomechanical loading, grain boundaries (GB) generally migrate through polycrystalline samples. Despite an extensive literature on the subject, understanding the collective behavior of dislocations and GB remains partial, at least on the macroscopic scale. This is due, firstly, to the fact that several driving forces are active simultaneously during the experiments on polycrystals : (i) the surface tension of a curved boundary (ii) the differential elastic energy for elastically anisotropic materials, and finally (iii) the coupling between plasticity and migration. On the other hand, the mobility of such interfaces is closely related to their atomic structure.Simulations of GBs migration by Molecular dynamics, under the action of asynthetic driving force, are carried out. A wide variety of GBs, represented by nickel bicristals, is studied. GB mobility is first discussed for various GB planes and temperatures. Through this study, three characteristics with respect to temperature were observed : thermally activated character, athermic character, and antithermal character. To these characters is added other behaviors varying with the temperature.The simulations also allowed the identification of some elementary migration mechanisms for basic GBs. GBs with step migration or disconnection migration were studied by the Nudged Elastic Band method. This method allowed determiningt he path of minimum energy (MEP) during the migration. The evolution of the grain boundary during its migration shows the nucleation and the displacement of the steps, identified as disconnections.