Thèse soutenue

Modélisation multi-échelle de la ségrégation induite par irradiation dans des alliages dilués base nickel et base fer
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Auteur / Autrice : Liangzhao Huang
Direction : Maylise Nastar
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 10/11/2020
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de recherches de métallurgie physique (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 201X-2023)
référent : Faculté des sciences d'Orsay
Jury : Président / Présidente : Frederico Garrido
Examinateurs / Examinatrices : Pascal Bellon, Frédéric Christien, Gilles Adjanor
Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Bellon, Frédéric Christien

Résumé

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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).