Simulation atomistique des défauts structuraux dans un alliage à haute entropie (AHE) austénitique

Atomistic simulation of structural defects in austenitic high entropy alloy (HEA)

• Auteur / Autrice : Ayobami Daniel Daramola
• Direction : Anna Fraczkiewicz, Ghiath Monnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 22/01/2024
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Science des Matériaux et des Structures
• Jury : Président / Présidente : Cristelle Schmuck-Pareige
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anna Fraczkiewicz, Ghiath Monnet, Cristelle Schmuck-Pareige, Marc Fivel, David Rodney, Marc Legros, Isaac Toda Caraballo, Gilles Adjanor
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Fivel, David Rodney

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dislocations dans les métaux

Dynamique moléculaire

Alliages à haute entropie

Acier inoxydable austénitique

Mots clés libres

Alliages à haute entropie (AHE)

Dislocations

Dynamique moléculaire

Méthode des atomes intégrés (EAM)

Défauts d'irradiation

High entropy alloys

Dislocations

Molecular dynamics

Embedded-atom method

Irradiation defects

Résumé

Nous avons étudié la plasticité et le comportement des dislocations, à l’échelle atomique et au moyen de simulations de statique moléculaire (MS) et de dynamique moléculaire (MD), dans deux alliages modèles : un acier inoxydable austénitique (ASS) de composition Cr20Fe70Ni10 at. % et un alliage à haute entropie (HEA, high entropy alloy) de structure austénitique, dénommé Y3-HEA, de composition de Cr15Fe46Mn17Ni22 at. %.Afin d’étudier ce système, nous avons développé un nouveau potentiel interatomique basé sur la méthode EAM (embedded atom method), spécifiquement adapté au système CrFeMnNi. Son originalité vient de la présence de Manganèse.Nous avons montré une différence significative dans le comportement mécanique des deux alliages. Y3-HEA présente des fluctuations plus élevées de l'énergie locale de défaut d'empilement (SFE) par rapport à l'ASS, ce qui entraîne une contrainte critique de mouvement de dislocation plus élevée. A partir d’une évaluation quantitative de la mobilité des dislocations, nous constatons leur mobilité plus faible dans Y3-HEA par rapport à ASS. Plusieurs études disponibles dans la bibliographie suggèrent une résistance accrue aux dommages de l’irradiation dans des alliages de type HEA, ce qui en fait des candidats potentiels pour des applications dans l’industrie nucléaire. Afin d’approcher cette problématique, nous avons exploré les interactions entre une dislocation mobile et deux défauts distincts induits par l'irradiation : boucles de Frank et cavités. Dans le cas de la boucle de Frank, nous avons montré que Y3-HEA nécessite une contrainte critique plus élevée pour que la boucle se détache de la dislocation mobile. Nous introduisons également le concept de résistance moyenne aux obstacles dans un modèle de durcissement par irradiation, prédisant un durcissement par boucles de dislocation moins important dans Y3-HEA que dans l'ASS, en particulier à des températures proches des conditions opérationnelles du réacteur nucléaire (600 K). De plus, la résistance au cisaillement de cavités par une dislocation mobile, apparait plus élevée dans le cas de Y3-HEA que celle calculée pour l’ASS.

Understanding the behavior of dislocations at the atomic scale is essential for comprehending the mechanical properties of materials. In this study, we investigate dislocation behavior, focusing on edge dislocations, using molecular statics (MS) and molecular dynamics (MD) simulations. Our primary objective is to compare the behavior of a model austenitic stainless steel (ASS) with a composition of Cr20Fe70Ni10 at. % with an austenitic High-Entropy Alloy (HEA) known as Y3-HEA, with a composition of Cr15Fe46Mn17Ni22 at. %.To study the system of interest, we have developed a new interatomic potential based on the Embedded Atom Method (EAM), specifically tailored for the CrFeMnNi system. Its novelty comes from taking into consideration the presence of Manganese.Plasticity mechanisms, particularly because HEAs are expected to exhibit enhanced plasticity properties, were of interest. We have shown significant distinctions in mechanical behavior in both alloys. Y3-HEA exhibits higher fluctuations in local stacking fault energy (SFE) compared to ASS, resulting in higher critical stress required to initiate dislocation motion. Through a quantitative assessment of dislocation mobility, we predict slower dislocation mobility in Y3-HEA compared to ASS. This suggests that in Y3-HEA, the interaction of high SFE fluctuations and dislocation mobility may lead to increased strength and ductility compared to ASS.Furthermore, HEAs are anticipated to possess enhanced resistance to irradiation damage, making them potential candidates for applications in the nuclear industry. We explore the interactions between a mobile edge dislocation and two distinct irradiation-induced defects (Frank loops and voids), by comparing Y3-HEA and ASS. In the case of the Frank loop, we find that Y3-HEA requires a higher critical stress for the loop to unpin from the mobile dislocation. We also introduce the concept of average obstacle strength into a radiation hardening model, predicting less prominent dislocation loop hardening in Y3-HEA compared to ASS, especially at temperatures close to operational nuclear reactor conditions (600 K). Regarding interactions between dislocations and voids, Y3-HEA demonstrates higher void shear resistance, suggesting enhanced resistance to void formation compared to ASS.