Modelling the thermal ageing evolution of Fe-Cr alloys using a lattice kinetic Monte Carlo approach based on DFT calculations

par Davide Costa

Thèse de doctorat en Physique

  • Titre traduit

    Modélisation du vieillissement thermique d'alliages Fe-Cr par approche Monte Carlo cinétique atomique basé sur calculs DFT


  • Résumé

    Cette thèse aborde l'étude du vieillissement thermique du système Fe-Cr. Nous avons étudié le mécanisme de diffusion de la lacune dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité (Density Functional Theory - DFT) et examiné la capacité d'un potentiel empirique de la classe EAM (Embedded Atom Method) à reproduire les résultats DFT. Nous avons montré que l'énergie de migration de la lacune dépend fortement de l'environnement atomique du point de col où les interactions chrome-chrome et chrome-lacune déterminent en partie l’énergie de point de col. Nous avons proposé trois approches pour la paramétrisation d'un modèle Monte Carlo Cinétique (MCC) atomique : l’une entièrement basée sur le potentiel EAM, les autres partiellement basées sur nos calculs DFT. Les simulations par MCC du vieillissement thermique des alliages Fe-20% at. Cr et Fe-25% at. Cr à 773 K montrent la formation de précipités riches en chrome dont la croissance avec le temps suit une loi de puissance avec un exposant 1/3, en accord avec la théorie de Lifshitz-Slyozov-Wagner. La paramétrisation des simulations par MCC entièrement basée sur le potentiel EAM prédit une taille moyenne des précipités supérieure à celle observée expérimentalement, alors que cette dernière est sous-estimée par les paramétrisations partiellement basées sur nos calculs DFT. Ce désaccord semble avoir une origine cinétique plutôt que thermodynamique. La composition de la phase riche en chrome varie au cours de la séparation de phase, indiquant ainsi que la démixtion se produit par nucléation non-classique ou par décomposition spinodale. Des précipités interconnectés sont plus susceptibles de se former dans le système Fe-25% at. Cr plutôt que dans l’alliage Fe-20% at. Cr suggérant ainsi que, lorsque la concentration en soluté augmente, le mécanisme de démixtion se rapproche de la décomposition spinodale.


  • Résumé

    In this thesis, we address the study of the microstrucutre evolution of the Fe-Cr system under thermal ageing. The vacancy diffusion mechanism was investigated in the framework of the density functional theory (DFT) and the capability of a recently developed embedded atom method (EAM) empirical cohesive model to reproduce the DFT results was examined. We have shown that the vacancy migration energy strongly depends on the saddle point atomic environment where the chromium-chromium and the chromium-vacancy interactions partially determine the saddle point energy. We proposed three approaches for the parameterisation of an atomistic kinetic Monte Carlo (AKMC) model: one fully based on the EAM potential, the others partially based on our DFT calculations. The AKMC simulations of the thermal ageing of the Fe-20 at.%Cr and Fe-25 at.%Cr alloys at 773 K show the formation of chromium-rich precipitates whose growth with time follows a power law with exponent 1/3. This is consistent with the Lifshitz-Slyozov-Wagner theory of coarsening. The AKMC parameterisation fully based on the EAM potential predicts a mean precipitate size higher than the experimentally observed one, whereas the parameterisations partially based on our DFT calculations underestimate it. This disagreement seems to have a kinetic rather than thermodynamic origin. The composition of the precipitating phase varies during the phase separation thus indicating that the unmixing is driven by either a non-classical nucleation or a spinodal decomposition. Interconnected precipitates are more likely to form in the Fe-25 at.%Cr alloy than in the Fe-20 at.%Cr thus suggesting that, as the solute concentration increases, the spinodal decomposition is more likely to occur.


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