Modélisation multi-échelles des défauts d'irradiation dans les métaux cubiques centrés - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Multi-scale modelling of point defects in body-centered cubic metals

Modélisation multi-échelles des défauts d'irradiation dans les métaux cubiques centrés

Clovis Lapointe
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1237373
  • IdRef : 268119562

Résumé

The modelling of metals under extreme conditions requires a multi-scale approach. Indeed, for reasons of numerical complexity, it is not possible to use a unique formalism, accurate and transferable for all scales of simulation. In general, one or more methods have to be used for a given spatial and temporal scale. These methods are based on approximations - physical and/or numerical - which are more and more numerous when the simulated space and time scales increase. Multi-scale modelling can therefore be summarised as a - utopian - balance between simulated "space-time" scales and representativeness of phenomena involved in the transformations of the system studied.Multi-scale methods applied to materials science must also take into account the effects of finite temperatures in order to simulate structures in their nominal conditions of industrial use. In recent years, temperature effects have been treated in the context of local approximations: harmonic and/or quasi-harmonic. Taking into account anharmonic effects remains difficult - but necessary to be representative of physical phenomena - and is a main research topic for the improvement of multi-scale models.The objectives of this thesis are (i) to develop new simulation tools to extend the applicability of multi-scale methods (ii) and to estimate finite temperature quantities. We rely on a set of methods, in full expansion in the field of materials science: Machine Learning. These methods allow to develop systematic statistical tools and to study correlations more easily.In a first step, we develop methods for fast estimation of quantities derived from the harmonic vibrational properties: the defect formation entropy and the attack frequencies. The formalism developed is accurate, transferable and allows to greatly reduce the numerical cost (traditionally evolving as O(N^3) where N is the number of particles in the system) whose numerical complexity evolves as O(N).In a second step, we are interested in quantifying the influence of anharmonic effects for metallic systems. We develop a direct computational approach (coupling Machine Learning and free energy methods) to calculate the self-diffusion coefficient, with an accuracy of ab initio, in body-centered cubic metals. We directly confront our results with the experiment and we give a - general - explanation, for the cubic centered metals, of the anomalous behavior of the self-diffusion coefficient at high temperatures.
La modélisation des métaux sous conditions extrêmes nécessite une approche de type multi-échelles. En effet, pour des raisons de complexité numérique, il n'est pas possible d'utiliser un formalisme unique, précis et transférable pour toutes les échelles de simulation. Il correspond, en général, une ou plusieurs méthodes utilisables pour une échelle spatiale et temporelle donnée. Ces méthodes se basent sur des approximations - physiques et/ou numériques - dont le nombre croît lorsque les échelles d'espace et de temps simulés augmentent. La modélisation multi-échelle peut donc se résumer comme un - utopique - équilibre entre échelles "spatio-temporelles" simulées et représentativité des phénomènes mis en jeu lors des transformations du système étudié.Les méthodes multi-échelles appliquées à la science des matériaux doivent aussi prendre en compte les effets de températures finies afin de simuler des structures dans leurs conditions nominales d'utilisation industrielles. Ces dernières années, les effets de température ont été traités dans le cadre d'approximations locales : harmonique et/ou quasiharmonique. La prise en compte des effets anharmoniques reste difficile - mais nécessaire pour rendre compte de certains phénomènes physiques - et est un sujet de recherche à part entière pour l'amélioration des modèles multi-échelles.Les objectifs de cette thèse sont de (i) développer de nouveaux outils de simulations afin d’étendre les domaines d’applicabilité des méthodes multi-échelles (ii) et d’estimer des grandeurs de températures finies. Nous nous basons sur un ensemble de méthodes en plein essor dans le domaine de la science des matériaux : le Machine Learning. Ces méthodes permettent de développer des outils statistiques systématiques et d'étudier plus facilement des corrélations.Dans un premier temps, nous développons des méthodes d’estimations rapides de quantités dérivées de propriétés vibrationnelles harmoniques : l’entropie de formation de défauts et les fréquences d’attaque. Le formalisme développé est précis, transférable et permet de réduire grandement le coût numérique (évoluant traditionnellement comme O(N^3) où N est le nombre de particules dans le système) dont la complexité numérique évolue comme O(N).Dans un deuxième temps, nous nous intéressons à quantifier l’influence des effets anharmoniques pour des systèmes métalliques. Nous développons une approche de calcul direct (couplant Machine Learning et méthodes d’énergie libre) permettant de calculer le coefficient d’auto-diffusion, avec une précision "ab initio", des métaux cubiques centrés. Nous confrontons directement nos résultats avec l’expérience et nous donnons une explication, générale pour les métaux cubiques centrés, du comportement anormal du coefficient d’auto-diffusion à hautes températures.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04029871 , version 1 (15-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04029871 , version 1

Citer

Clovis Lapointe. Modélisation multi-échelles des défauts d'irradiation dans les métaux cubiques centrés. Matériaux. Centrale Lille Institut, 2022. Français. ⟨NNT : 2022CLIL0006⟩. ⟨tel-04029871⟩
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