Chemical ordering kinetics and thermal vacancy thermodynamics in B2 binary intermetallics : simulation study

par Andrzej Biborski

Thèse de doctorat en Physique du solide

Sous la direction de Véronique Pierron-Bohnes et de Rafal Kozubski.

Soutenue en 2010

à Strasbourg en cotutelle avec l'Université Jagellonne de Cracovie - Pologne .

  • Titre traduit

    Cinétiques d’ordre chimique et thermodynamique des lacunes thermiques dans les intermétalliques binaires B2 : une étude par simulation


  • Résumé

    Les alliages intermétalliques de structure B2 sont des matériaux prometteurs pour leurs propriétés physiques. Une concentration anormalement élevée de lacunes est observée dans les alliages B2 très ordonnés. Les sauts atomiques élémentaires ayant lieu via des sauts de lacunes, il est surprenant que la vitesse d’évolution de l’ordre est bien plus basse dans NiAl ordonné B2 – système où la concentration de lacunes est très haute – que dans le système L12 – Ni3Al où la concentration de lacunes est bien plus basse. Ce phénomène a souvent été expliqué par l’existence dans cette structure de défauts triples, où les lacunes sont en grande partie piégées sur le sous-réseau du nickel en corrélation avec des antisites de Ni (atomes de Ni sur le sous-réseau Al), avec deux lacunes pour un antisite. Le but général de cette thèse a été d’élaborer une méthodologie pour les simulations par méthode Monte-Carlo des cinétiques de transformation structurale de ces systèmes. Il a été nécessaire de développer un modèle thermodynamique qui permette de déterminer la concentration de lacunes d’équilibre – la dépendance en température de cette concentration ne pouvant plus être négligée. Des simulations Monte-Carlo cinétiques cohérentes peuvent ensuite être effectuées. Ces modélisations ont été faites avec un hamiltonien d’Ising et avec un hamiltonien multi-atomes de la méthode de l’atome entouré (embedded atom method). Les résultats obtenus sont en bon accord avec les observations expérimentales : l’évolution lente du système est due au manque d’efficacité statistique des sauts effectués (beaucoup d’aller-retours) après le premier stade rapide de génération des défauts triples.


  • Résumé

    Intermetallics based on the B2 superstructure are very promising for their physical properties. An unusual high vacancy concentration is observed in highly ordered systems. Whereas elementary atomic jumps occur via a vacancy mechanism, surprisingly the rate of chemical ordering processes is much lower for B2 – NiAl superstructure – with relatively very high vacancy concentration – in comparison to the system with low vacancy concentration (L12 - Ni3Al). That phenomenon was often explained by the means of so called „triple defect” – where vacancies are mostly „trapped” on the Ni sub-lattice and correlated with creation of Ni antisites (Ni atoms residing on the Al sub-lattice), with statistically two vacancies per one antisite. The general aim of this thesis was to elaborate a methodology for kinetic simulations by Monte-Carlo methods of structural transformations in these systems. Therefore it was necessary to develop a thermodynamic model which allows finding equilibrium vacancy concentration – as the thermal dependency of vacancy concentration cannot be neglected. Consistent Kinetic Monte-Carlo simulations could be next realized. They were made using either an Ising-type Hamiltonian or the many body potentials of the Embedded Atom Method. The results are in good agreement with the experimental observations: the slow evolution of the system is due to the statistical inefficiency of jumps performed (many return jumps) after the extremely fast stage of generation of triple defects.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XIV-110 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 105-110

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