Vieillissement des aciers austénitiques : modélisation atomistique de la ségrégation

Ageing of austenitic steels : atomistic modeling of segregation

• Auteur / Autrice : Abdelhay Zair
• Direction : Guy Tréglia, Adnene Dhouib, Fabienne Ribeiro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et Nanosciences
• Date : Soutenance le 20/12/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Université de Carthage (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINAM)
• Jury : Président / Présidente : Najoua Derbel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Ribeiro, Boutheïna Kerkeni, Anne Hemeryck, Philippe Maugis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Slaheddine Krichene, Christine Goyhenex

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotechnologie

Dynamique moléculaire

Acier inoxydable austénitique

Joints de grains

Mots clés libres

Liaisons Fortes

Joints de grains

Interfaces

Ségrégation

Modélisation atmistique

Tight-Binding Approximation

Grains boundary

Interfaces

Segregation

Atomistic modeling

Résumé

Le vieillissement des aciers pose un problème crucial dans bien des industries, en particulier dans celle du nucléaire où elle est un élément essentiel de la réflexion sur la durée de vie des REPs. En effet, la ségrégation aux défauts du matériau modifie fortement ses propriétés. L'objet de ce travail est de modéliser la ségrégation aux joints de grains dans l'alliage austénitique Fer-Nickel, élément constitutif des internes de cuve d'un REP. Pour cela nous avons développé un potentiel interatomique dans l'approximation du Second Moment des Liaisons Fortes, qui prend en compte le magnétisme de façon effective par l'ajustement d'une base de données issues de calculs DFT. Nous avons étudié l'effet du magnétisme sur la structure des joints de grains \Sigma5 (210) et (310) [001] des deux éléments purs Fe et Ni par des simulations de Dynamique Moléculaire. Nous avons ainsi mis en évidence que le magnétisme diminue de façon significative à la fois l'énergie et le volume d’excès du joint et la contrainte dans la région qui l'entoure. Il peut même dans certains cas modifier la microstructure des joints et leurs stabilités relatives. Nous avons ensuite étudié la ségrégation au voisinage de ces joints dans les limites diluées Fe(Ni) et Ni(Fe), où nous avons pu montrer que là encore le magnétisme joue un rôle essentiel puisqu'il peut changer la nature de l'élément qui ségrège et le profil de ségrégation perpendiculairement au joint. Finalement ces résultats ont été comparés à ceux obtenus pour la ségrégation au voisinage de la surface, permettant de tirer des leçons générales sur les ressemblances et différences des deux types de ségrégation.

The aging of steels sets a crucial problem in many industries, in particular in the nuclear industry where it is an essential element in the reflection on REPs lifetime. In fact, the segregation at material defects of elements such as carbon, or metallic additives (nickel, chromium), strongly modifies its mechanical properties and its resistance to corrosion. The aim of this work is to model the segregation at the grain boundaries in the austenitic iron-nickel alloy, a constituent element of the vessel internals of a nuclear reactor. For this we have developed an N-body interatomic potential in the Second Moment of Tight-Binding Approximation, which takes into account magnetism in an effective way by adjusting a database resulting from DFT calculations. We studied the effect of magnetism on the \Sigma5 (210) and (310) [001] grain boundary structure of the two pure elements Fe and Ni by means of Molecular Dynamics. We have thus demonstrated that the magnetism significantly decreases both the joint excess energy and the excess volume and the stress in the surrounding region. It can even in some cases modify the microstructure of the joints and their relative stabilities. We then studied the segregation in the vicinity of these joints in both dilute limits Fe (Ni) and Ni (Fe), where we have shown that here again magnetism plays an essential role since it can change the nature of the element which segregates and the segregation profile perpendicular to the joint. Finally, these results were compared with those obtained for segregation near the surface, allowing to derive general lessons on the similarities and differences of the two types of segregation.