Connecter les descriptions atomiques et continues des joints de grains pour étudier leur migration dans des polycristaux CFC

Connecting atomistic and continuum description of grain boundary to investigate their migration in FCC polycrystalline materials

• Auteur / Autrice : Etienne Ngenzi
• Direction : Yann Charles, Sylvain Queyreau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 09/11/2022
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (....-2010)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Queyreau, Vincent Taupin, Samuel Forest, Brigitte Bacroix, Oguz Umut Salman, Anna Ask
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Vincent Taupin, Samuel Forest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes mésoscopiques

Dislocations dans les cristaux

Mots clés libres

Joint de grain

Dynamique moléculaire

Chatons de phases

Grain boundaries

Molecular dynamics

Phase field

Résumé

Comprendre l'évolution de la microstructure sous chargement thermo-mécanique est un défi industriel critique, en lien avec la conception et l'optimisation des matériaux, l'allègement des structures, et la prédiction de la durée de vie en service des composants. L'évolution de la microstructure est également ancrée dans des questions physiques profondes liées aux structures atomiques des interfaces et à leurs conséquences sur leurs propriétés, ou aux interactions mutuelles entre les interfaces et d'autres défauts cristallins tels que les impuretés et les dislocations. Le défi principal dans ce domaine est de formuler un modèle d'évolution de la microstructure avec de réelles capacités de prédiction. Dans ce but, le présent travail de thèse associe des simulations atomistiques à des simulations de champs de phase mésoscopiques en se concentrant sur le Ni, un système bien connu et modèle pour les métaux CFC. Tout d'abord, un grand soin a été apporté à la construction et à la relaxation des joints de grains (JdG) comme données d'entrée pour les simulations de dynamique moléculaire. Nous avons ensuite étudié systématiquement la migration d'un seul JdG dans un bi-cristal. Pour évaluer la généralité des résultats de migration observés, nous avons considéré un large panel de différents JdG, y compris des angles de désorientation faibles et élevés autour de [001], et des caractères de JdG, comprenant des joints de flexion, de torsion et des JdG mixtes. Contrairement à la plupart des études précédentes, nous avons systématiquement exploré l'espace paramétrique force motrice (P)-température (T), afin d'identifier clairement le type de migration que suit le JdG parmi les comportements dits thermiquement activés, athermiques ou antithermiques. La plupart des JdGs connaissent une transition d'un régime exponentiel à un régime linéaire en fonction de P. Ces résultats, en accord avec la littérature existante lorsqu'elle est disponible, nous ont permis de formuler une loi de migration mésoscopique unique qui reproduit les résultats DM (Dynamique moléculaire) sur toute la gamme de configurations, et qui peut être transmise à des simulations à plus grande échelle. Ensuite, nous avons utilisé le modèle de champ de phase d'Admal et al.(Admal et al., 2018) qui dérive du modèle dit KWC. Ce modèle qui décrit les JdGs comme des distributions de dislocations géométriquement nécessaires, et se connecte à la plasticité cristalline classique, est un modèle prometteur, parmi quelques autres, pour inclure les interactions mutuelles entre la migration des JdGs et les dislocations cristallines dans un polycristal. Après une étude de sensibilité, nous avons montré que ce modèle capture naturellement les caractéristiques clés de la migration des JdGs telles qu'observées en DM, telles que la valeur de l'énergie des JdGs, le coefficient de couplage en cisaillement et l'existence de  régimes non linéaires et linéaires observés pour la mobilité des JdGs. Enfin, pour relier quantitativement les deux échelles, nous avons dérivé une solution analytique pour le formalisme 1D KWC, en nous appuyant sur (Lobkovsky and Warren, 2001). Ce travail ouvre la voie à une description réaliste de l'évolution de la microstructure dans un polycristal, grâce à une PF paramétré de manière atomistique.

Understanding microstructure evolution under thermo-mechanical loading is a critical industrial challenge, in link to materials design and optimisation, alleviation of structures, and prediction of the life in use of components. Microstructure evolution is also rooted in deep physical questions related to the interface atomic structures and its consequence upon their properties, or the mutual interactions between interfaces and other crystalline defects such as impurities and dislocations. The ultimate challenge in the field, is to formulate a model for microstructure evolution with real predictive capabilities. To this goal, the present PhD work associates atomistic simulations to mesoscopic phase field simulations focusing on Ni as a well known and model system for FCC metals.First, great care has been paid to build and relax grain boundaries as inputs for Molecular Dynamics simulations. We then systematically investigated the migration of a single GB in a bi-crystal. To assess the generality of the migration results observed we considered a large panel of different GBs, including low and high misorientation angles around [001], and GB characters including tilt, twist and mixed GB. In contrast to most previous studies, we systematically explored the driving force (P)-temperature (T) parametric space, in order to clearly identify the type of migration that the GB follows from so-called thermally activated, athermal or antithermal behaviours. Most GBs experience a transition from an exponential to linear regime as function of P. These results, in agreement with existing literature when available, allowed us to formulate a unique mesoscopic migration law that reproduces MD results over the entire range of configurations, and can be passed onto larger scale simulations.Next, we employed the phase field model of Admal et al.(Admal et al., 2018) which derives from the so-called KWC model. This model that describes GB as geometrically necessary dislocation distributions, and connects with classical crystal plasticity, is promising model, among a few other, for including the mutual interactions between GB migration and crystal dislocations in a polycrystal. After a sensitivity study, we showed that this model naturally captures key features of GB migration as observed in MD, such as the GB energy value, shear coupling coefficient and the existence of non-linear and linear regimes observed for the GB mobility. Finally, to connect quantitatively the two scales, we derived a closed form analytical solution for the 1D KWC formalism, building upon the work of Lobkovsky (Lobkovsky and Warren, 2001). This work paves the way for a realistic description of the microstructure evolution in a polycrystal, thanks to atomistically informed PF