Simulation et observation de l'influence d'une contrainte sur l'évolution des défauts cristallins à l'échelle nanométrique et en temps réel

Real-time simulation and observation of the effect of stress on the evolution of crystalline defects at nanometric scale

• Auteur / Autrice : Daphné Da Fonseca
• Direction : Frédéric Mompiou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 29/11/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Viguier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Antoine Geslin, Thomas Jourdan, Fabien Onimus
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charlotte Becquart, Jean-Philippe Couzinié

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dislocations dans les métaux

Acier inoxydable austénitique

Microstructure (physique)

Mots clés libres

Fluage d'irradiation

Microscopie électronique en transmission

Monte Carlo cinétique sur objets

Boucles de dislocation

Montée des dislocations

Irradiation creep

Transmission electron microscopy

Object kinetic Monte Carlo

Dislocation loop

Dislocation climb

Résumé

Dans les réacteurs à eau pressurisée, les aciers austénitiques inoxydables sont utilisés comme matériaux des structures internes de cœur pour leur bonne résistance à la corrosion. En fonctionnement, ces matériaux subissent la combinaison du flux neutronique et d'un chargement mécanique donnant lieu à une déformation permanente, le fluage d'irradiation. Cette déformation peut être problématique, c'est pourquoi il est important d'étudier ce phénomène pour bien le comprendre, le maîtriser et le prédire. Des lois pour décrire le comportement macroscopique en fluage d'irradiation existent et sont utilisées par les ingénieurs. D'autre part, de nombreux mécanismes microscopiques ont été proposés dans la littérature pour expliquer ce phénomène, mais leur pertinence reste en grande partie une question ouverte. Ce travail de thèse propose d'approfondir la compréhension des mécanismes reposant sur la germination et la croissance des boucles de dislocation générées sous irradiation suite à l'agglomération de défauts ponctuels. Dans le cas des boucles de dislocation, la déformation macroscopique résulte de l'évolution anisotrope de leur proportion ou de leur taille, sous l'effet d'une contrainte extérieure. Deux principaux mécanismes sont proposés dans la littérature pour expliquer le rôle de la contrainte sur la microstructure. Le premier est le mécanisme SIPA. Celui-ci prédit l'absorption préférentielle de défauts ponctuels par les boucles de dislocation, résultant de la diffusion anisotrope de ces défauts. Le second est le mécanisme SIPN qui est un mécanisme de germination des boucles de dislocation dans des plans préférentiels. À ce jour, les expériences in-situ sont peu nombreuses et se contredisent. Du fait de ce manque de données, il est difficile de conclure sur les mécanismes en jeu. L'objectif de cette thèse est d'apporter une réponse à cette question grâce à une démarche couplant étude expérimentale et étude numérique. Des expériences d'irradiation in-situ, sans et avec application d'une contrainte, sont réalisées dans un microscope électronique en transmission (MET) à l'aide d'un porte-objet de traction. Le faisceau d'électrons sert à la fois à créer des défauts ponctuels et à observer les boucles de dislocations. Le matériau modèle utilisé est l'aluminium pur. Nous observons en MET la formation et la croissance de boucles de Frank de nature interstitielle. Les irradiations sous contrainte montrent que l'application d'une contrainte affecte la densité des boucles et cela lorsque la contrainte est appliquée en début d'irradiation. Afin d'étudier les mécanismes à l'origine de ce phénomène, nous réalisons en parallèle des simulations avec la méthode Monte Carlo cinétique sur objets. L'évolution des microstructures de boucles dans nos conditions expérimentales est simulée aux mêmes échelles d'espace et de temps en incluant uniquement le mécanisme SIPA. Ces calculs montrent que le SIPA ne permet pas de reproduire l'anisotropie de boucles observée expérimentalement. Par la suite, l'influence de la contrainte sur la formation préférentielle des boucles est mise en évidence par des simulations de dynamique moléculaire avec la méthode d'accumulation de paires de Frenkel. Nous concluons que la contrainte a majoritairement un rôle sur la formation préférentielle des boucles et que cette formation préférentielle n'est pas due à un mécanisme SIPA, mais par exemple à la réorientation de petits amas d'interstitiels.

In pressurized water reactors, austenitic stainless steels are used as materials for internal core structures for their good corrosion resistance. During operation, these materials are subjected to a combination of neutron flux and mechanical loading, resulting in permanent deformation known as irradiation creep. This deformation can be problematic, which is why it is important to study this phenomenon in order to understand, control and predict it. Laws to describe the macroscopic behavior of irradiation creep exist and are used by engineers. On the other hand, numerous microscopic mechanisms have been proposed in the literature, but their relevance remains largely an open question. The aim of this thesis is to gain a deeper understanding of the mechanisms underlying the nucleation and growth of dislocation loops generated under irradiation as a result of the agglomeration of point defects. In the case of dislocation loops, macroscopic deformation results from the anisotropic evolution of their proportion or size, under the effect of external stress. Two main mechanisms are proposed in the literature to explain the role of stress on the microstructure. The first is the SIPA mechanism, which predicts the preferential absorption of point defects by dislocation loops, resulting from the anisotropic diffusion of these defects under applied stress. The second is the SIPN mechanism, which is a nucleation mechanism for dislocation loops in preferential planes with respect to the applied stress. To this day, there are few in-situ experiments and their results are not consistent. This lack of data makes it difficult to draw conclusions concerning the relevant mechanisms involved. The aim of this thesis is to provide an answer to this question by combining experimental and numerical studies. In-situ irradiation experiments, both with and without applied stress, are carried out in a transmission electron microscope (TEM) using a straining sample holder. The electron beam is used both to create point defects and to observe dislocation loops. Pure aluminum is chosen as model material. We observe the formation and growth of interstitial Frank loops. Irradiations under stress show that the application of an external stress affects the loop density when the stress is applied at the beginning of irradiation. To investigate the mechanisms behind this result, we run simulations using the object kinetic Monte Carlo method at the same time. The evolution of loop microstructures under our experimental conditions is simulated at the same space and time scales as experiments, including only the SIPA mechanism. These calculations show that SIPA does not reproduce the loop anisotropy observed experimentally. Then, the influence of stress on loop preferential nucleation is demonstrated by molecular dynamics simulations using the Frenkel pair accumulation method. We conclude that stress plays a major role in preferential nucleation of loop and this preferential nucleation is not due to SIPA mechanism, but to the reorientation of small interstitial clusters, for example.