Multiscale modeling of the radiation-induced segregation in Ni-based and Fe-based dilute alloys

par Liangzhao Huang

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Maylise Nastar.

Le président du jury était Frederico Garrido.

Le jury était composé de Pascal Bellon, Frédéric Christien, Gilles Adjanor.

Les rapporteurs étaient Pascal Bellon, Frédéric Christien.

  • Titre traduit

    Modélisation multi-échelle de la ségrégation induite par irradiation dans des alliages dilués base nickel et base fer


  • Résumé

    Nous présentons une modélisation quantitative de la redistribution des défauts ponctuels (DPs) et de la ségrégation induite par irradiation (SII) sur les défauts étendus, dans des alliages modèles dilués Ni(B ≡ Ti, Cr) et Fe(B ≡ P, Mn, Cr, Si, Ni, Cu). Le changement de composition chimique au voisinage des défauts étendus joue un rôle décisif sur l’évolution de la microstructure et les propriétés mécaniques d’un matériau. L’irradiation génère des défauts ponctuels, qui diffusent en s’échangeant avec les atomes voisins, s’annihilent en se recombinant entre eux ou en interagissant avec des défauts étendus (qui agissent comme des puits de DPs). Les flux de DPs vers les puits induisent des flux atomiques dans le même sens ou le sens opposé des flux de DPs, produisant ainsi la SII aux puits. Nous étendons la théorie de champ moyen auto-cohérent aux déplacements atomiques forcés (DAF), mécanismes de diffusion athermiques générés par une cascade de déplacements sous irradiation. L’implémentation de nos développements théoriques dans le code KineCluE, nous permet de calculer les flux de DPs et d’atomes, et leurs couplages. A partir du calcul des flux en fonction de la température, de la composition, et du champ de déformation ; et d’un traitement de type cinétique chimique des réactions de production et d’annihilation des DPs, nous obtenons les profils stationnaires de SII. Dans chacun des régimes cinétiques particuliers pour lequel, l’une des réactions des DPs domine par rapport aux autres, nous obtenons les expressions analytiques des profils stationnaires des DPs et solutés sur les puits planaires. Pour rendre compte de l’effet du champ de déformation généré par une dislocation coin sur la SII et sur les taux d’élimination des DPs sur la dislocation, nous résolvons numériquement les équations d’élastodiffusion. A partir d’une base de données ab initio des énergies de liaison, des dipôles élastiques, et des fréquences d’échange atome-DP dans, nous réalisons une étude systématique des effets de la microstructure et des conditions d’irradiation sur les propriétés de diffusion, les taux d’élimination des DPs aux puits, et la SII. Nous montrons que : (i) les boucles de dislocations sont enrichies en Ni dans Fe(Ni) et appauvries en Ti dans Ni(Ti), et les quantités ségrégées sont en bon accord avec les valeurs expérimentales mesurées dans les alliages modèles Fe(Ni) et Ni(Ti) irradiés aux ions ; (ii) à fort flux, basse température, et grande force de puits de la microstructure, les évènements DAF réduisent sensiblement la SII, tout particulièrement dans les alliages base Ni ; (iii) les décalages en température calculés pour simuler les effets d’une irradiation aux neutrons par une irradiation aux ions, peuvent être très différents selon le phénomène induit par irradiation que l’on étudie, le régime cinétique dans lequel le système évolue, et la nature chimique de l’alliage étudié ; (iv) l’interaction entre les DPs et les atomes de soluté modifie le facteur de biais d’absorption entre lacunes et interstitiels d’une dislocation coin. Ainsi l’ajout de Ni produit un biais négatif alors que l’ajout de Mn augmente le facteur de biais (jusqu’à 200% de la valeur dans Fe pur sous contrainte), suivant la température et la composition ; (v) la contrainte augmente significativement la quantité de la ségrégation de soluté dans Fe(Ni) (par exemple, 400% de la valeur sans élasticité à 400K), et change le signe de la SII dans Fe(Cr).


  • Résumé

    We present a quantitative modeling of the point-defect (PD) redistribution and solute radiation-induced segregation (RIS) at extended defects in dilute Ni(B ≡ Ti, Cr) and Fe(B ≡ P, Mn, Cr, Si, Ni, Cu) alloys. The change in chemical composition, in the vicinity of extended defects, plays a decisive role on the evolution of the microstructure and mechanical properties of materials. Irradiation produces PDs, that diffuse by exchanging with neighboring atoms, annihilate by mutual recombination or by interacting with extended defects (that act as PD sinks). The fluxes of PDs towards sinks lead to atomic fluxes in the same or opposite direction of the PD flux; thereby producing RIS at sinks. We extend the self-consistent mean-field theory to forced atomic relocations (FARs), athermal diffusion mechanisms generated by displacement cascades under irradiation. The implementation of the extended theory in the KineCluE code allows us to compute PD and atomic fluxes, and their couplings. From the calculation of fluxes as a function of temperature, composition, and strain field; and a mean-field treatment of the production and annihilation reactions of PDs, we obtain the steady-state RIS profiles. In each of the particular kinetic regimes for which one of the PD reactions dominates over the others, we derive analytical expressions of steady-state profiles of PDs and solute atoms at planar sinks. To account for the effect of strain generated by an edge dislocation on the RIS and PD elimination rates, we numerically solve the elastodiffusion equations. Based on an ab initio database of binding energies, elastic dipoles, and atom-PD exchange frequencies, we perform a systematic study of the effects of the microstructure and irradiation conditions on diffusion properties, PD elimination rates at sinks, and RIS. We show that: (i) the dislocation loops are enriched in Ni in Fe(Ni) and depleted in Ti in Ni(Ti), and the calculated amounts of RIS are in good agreement with the experimental values measured in model Fe(Ni) and Ni(Ti) alloys irradiated by ions; (ii) at high flux, low temperature, and high sink strength, forced atomic relocations significantly reduce RIS, especially in Ni-based alloys; (iii) the temperature shifts calculated to simulate the effects of neutron irradiation by ion irradiation can be very different depending on the radiation-induced phenomenon, the kinetic regime in which the system evolves, and the chemical nature of the investigated alloy; (iv) the interactions between PDs and solute atoms change the absorption bias between vacancies and interstitials of an edge dislocation, as for instance, the addition of Ni leads to a negative bias while the addition of Mn increases the bias factor (up to 200% of the strained pure Fe value), depending on temperature and composition; (v) the dislocation strain field significantly increases Ni RIS (e.g., about 400% of the strain-free value at 400K) in Fe(Ni), and changes the sign of RIS in Fe(Cr).


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