Modélisation atomique de la plasticité du chrome et des autres métaux de transition cubiques centrés

Atomic scale modeling of plasticity in chromium and other body-centered cubic transition metals

• Auteur / Autrice : Baptiste Bienvenu
• Direction : Emmanuel Clouet, Chu Chun Fu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/07/2022
• 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)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charlotte Becquart, Laurent Pizzagalli, Benoît Devincre, Matous Mrovec, Maryam Ghazisaeidi, David Rodney
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charlotte Becquart, Laurent Pizzagalli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul ab initio

Matériaux magnétiques

Plasticité

Dislocations dans les métaux

Chrome

Modèles mathématiques

Mots clés libres

Modélisation

Chrome

Dislocation

Plasticité

Magnétisme

Ab initio

Modeling

Chromium

Dislocation

Plasticity

Magnetism

Ab initio

Résumé

L'objet de cette thèse est d'étudier la plasticité du chrome, envisagé comme revêtement des gaines combustibles en zirconium, et qui dans ces conditions doit être capable de supporter la déformation qui lui est imposée sans se fracturer. Le chrome est l'un des sept métaux de transition purs à structure cubique centrée, étant cependant l'unique d'entre eux ayant une structure magnétique proche de l'antiferromagnétisme à température inférieure à l'ambiante. A l'échelle atomique, la déformation plastique de ces métaux à basse température s'opère principalement par le mouvement des dislocations vis de vecteur de Burgers ½<111>, subissant une friction importante avec le réseau cristallin. Or, la plasticité du chrome soulève encore de nombreuses questions (types de dislocations, effet du magnétisme), et a été l'objet de peu d'étude visant à caractériser son comportement mécanique. En comparant le chrome aux autres métaux cubiques centrés, cette étude a permis de conclure sur les similitudes et différences que celui-ci présente.A l'aide de calculs ab initio, les propriétés des dislocations vis ½<111> ont été étudiées dans les deux phases non-magnétique et antiferromagnétique du chrome, de manière à caractériser l'influence du magnétisme sur sa plasticité à basse température. Cette étude a révélé que la seule conséquence du magnétisme est la génération de fautes magnétiques lorsque les dislocations cisaillent le cristal, puisque leur vecteur de Burgers ne respecte pas l'ordre magnétique du chrome à basse température. Ainsi, les dislocations ½<111> sont contraintes à se déplacer en traînant derrière elles une faute. Celle-ci a ensuite été étudiée à température finie par simulations Monte Carlo couplées à un modèle de Heisenberg développé pour cette étude, mettant en évidence leur disparition à une température inférieure à la transition vers le désordre magnétique, proche de l'ambiante, laissant les dislocations libres de se déplacer sans traîner de faute. Le magnétisme n'a donc un impact sur la plasticité du chrome qu'à très basse température, où ces fautes existent.Tenant compte des propriétés atomiques des dislocations, ainsi que de leur mouvement thermiquement activé par germination de doubles décrochements à l'aide d'un modèle de tension de ligne, nous avons ensuite développé une loi d'écoulement plastique donnant la limite d'élasticité en fonction du chargement mécanique et de la température, jusqu'à la température athermale. Par le biais d'une étude systématique sur l'ensemble des métaux cubiques centrés, pour lesquels une grande variété de données expérimentales est disponible, les prédictions du modèle ont pu à la fois être comparées à l'expérience ainsi qu'entre métaux, de manière à confirmer que le comportement plastique du chrome est semblable à l'ensemble de ces métaux. Cette approche systématique permettant à la fois de mieux comprendre la plasticité du chrome et des autres métaux cubiques centrés s'est ensuite étendue à l'étude d'un nouveau mécanisme expliquant le glissement anomal à basse température observé expérimentalement, s'opérant par un mouvement coopératif de plusieurs dislocations entraînant leur déplacement rapide, reproduit par nos simulations atomiques. Nous nous sommes enfin intéressés aux propriétés de dislocations ayant un vecteur de Burgers <100>, d'énergie proche des dislocations ½<111> et observées dans l'ensemble de ces métaux, afin d'expliquer dans quelles conditions celles-ci pourraient participer à la déformation plastique, nos simulations montrant un blocage des mécanismes de multiplication de ces dislocations.

The object of this thesis is to study plasticity of chromium, considered as a coating layer of zirconium fuel claddings, and in these conditions needs to be able to accommodate the deformation which is imposed to it without cracking. Chromium is one of the seven pure body-centered cubic transition metals, however the only one with a magnetic structure close to antiferromagnetism at temperatures below ambient. At the atomic scale, plastic deformation of these metals at low temperature is mainly governed by the motion of screw dislocations with a ½<111> Burgers vector, which experience a strong friction with the crystal lattice. However, plasticity of chromium still raises numerous questions (types of dislocations, influence of magnetism), and has been the focus of a few studies aiming at characterizing its mechanical behavior. Comparing chromium to the other body-centered cubic metals, this work helped conclude on the similarities and differences it presents.Using ab initio calculations, properties of ½<111> screw dislocations were studied in the two non-magnetic and antiferromagnetic phases of chromium, in order to qualify the impact of magnetism on its plasticity at low temperature. This study revealed the only consequence of magnetism is the generation of magnetic faults when these dislocations shear the crystal, since their Burgers vector disrupts the magnetic order of chromium at low temperature. Thus, ½<111> dislocations are constrained to move while dragging a magnetic fault behind them. This fault was then studied at finite temperature using Monte Carlo simulations coupled with a Heisenberg model developed for this work, evidencing their disappearance at a temperature below the transition to magnetic disorder, close to ambient, letting dislocations free to move without dragging magnetic faults. Magnetism therefore has an impact on the plasticity of chromium at very low temperature only, where these faults exist.Accounting for the atomic properties of dislocations, as well as their thermally activated glide through nucleation of kink pairs using a line tension model, we then developed a plastic flow law predicting the yield stress as a function of the mechanical loading and the temperature, until the athermal temperature. Through a systematic study across all body-centered cubic metals, for which numerous experimental data are available, predictions of the model were both compared to experiments and between metals, in order to confirm the plastic behavior of chromium is comparable to the other metals. This systematic approach allowing at the same time for a better understanding of the plasticity of chromium and the other body-centered cubic metals was then extended to the study of a new mechanism explaining anomalous slip at low temperature observed experimentally, operating through a cooperative motion of multiple dislocations leading to their fast motion, reproduced by our atomistic simulations. We then looked at the properties of dislocations having a <100> Burgers vector, with close energy compared to ½<111> and observed in all these metals, to explain under which conditions they can participate to the plastic deformation, our atomistic simulations showing a locking of the multiplication mechanisms of these dislocations.