Atomistic contribution to the understanding of metallic and silica glasses

par Pawel Koziatek

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de David Rodney et de Jean-Louis Barrat.

Le président du jury était Noël Jakse.

Le jury était composé de David Rodney, Jean-Louis Barrat, Peter Derlet.

Les rapporteurs étaient Jörg Rottler, Anne Tanguy.

  • Titre traduit

    Contribution atomistique à la compréhension des verres métalliques et de silice


  • Résumé

    Les matériaux amorphes sont omniprésents dans la vie quotidienne. Ils comprennent des verres "dures" et "mous". Le systèmes amorphes durs sont généralement considérés comme des matériaux de structure, dont les propriétés et l'utilisation sont comparable à celles des solides cristallins. Les verres mous sont généralement considérés comme des fluides complexes, décrits pour leurs propriétés rhéologiques et les applications correspondantes pratiques. Les matériaux amorphes peuvent soit présenter un comportement de type solide ou de flux en fonction de leur charge mécanique: tous sont des fluides à limite apparente d'élasticité. Leurs limites d'utilisation sont souvent définies par l'apparition de bandes de cisaillement, une forme extrême de localisation vu dans des verres moléculaires ainsi que dans les matériaux granulaires. Il ya maintenant des preuves considérables que ce sont les conséquences de l'existence d'une structure désordonnée au niveau des constituants élémentaires. Les études de la plasticité des solides amorphes, sont encore gênés par l'absence de tout défaut identifiable responsable de la réponse plastique. Il est maintenant reconnu que la plasticité est le résultat net des réarrangements locaux, ou "transformations de cisaillement", impliquant des petits groupes de particules. Ces réarrangements sont thermiquement - activées et sont ubiquitaires dans le processus de relaxation de déformation structurelle des verres à basse température. Malheureusement, ils se déroulent sur des échelles de temps long par rapport à ceux qui sont accessibles aux simulations de dynamique moléculaire. Certains nouveaux outils très prometteurs, cependant, ouvrent la voie vers des algorithmes accélérés pour la simulation de systèmes thermiques. Ils sont basés sur les méthodes numériques développées au cours de ces deux dernières décennies pour déterminer les transitions thermiquement activés dans les systèmes atomiques. Un intérêt particulier ici est la technique d'activation-relaxation (ART). Dans cette étude, nous allons montrer que, même si une recherche exhaustive des points de selle pour des solides désordonnés est impossible, ART peut identifier assez de points de selles pour construire des échantillons statistiquement pertinents, à partir desquelle des distributions stationnaires peuvent être calculées. Le but de cette thèse strictement numérique était de prédire les cinétiques thermiquement activées dans des verres telles que celles rencontrées expérimentalement. La nature de ces événements microscopique qui se produisent dans miscroscopic systèmes désordonnés a été étudiée à la fois sous des contraintes mécaniques et dans des conditions de vieillissement. Nous étudions deux grandeurs décrivant ces événements au sein de l'approximation harmonique de la théorie de l'état de transition, c'est à dire l'énergie d'activation et la fréquence d'attaque. Etant donné que dans la définition d'une fréquence d'attaque la courbure du minimum initial et le point de selle sont présents, nous voulions voir (pour les verres métalliques et verres de silice) s'il y avait une relation entre les fréquences de tentative et les énergies d'activation d'un événement donné. Cette corrélation a été précédemment observée pour un large éventail de phénomènes et est appelé la règle de compensation Meyer-Neldel. Nous aussi tentons de répondre si le simple potentiel BKS sans sommation d'Ewald est capable de reproduire le polyamorphisme observé dans les verres de silice soumis à une compression hydrostatique. Outre les processus activés thermiquement, les analyses structurelles de verres métalliques et de silice ont été réalisées. Les ordres de courte et moyenne portée ont été caractérisées par deux méthodes: pavages de Voronoı pour les verres métalliques, nous fournissant des informations sur les conformations voisines proches, et dans le cas de la silice, les statistiques de distributions de chaînes moléculaires.


  • Résumé

    Amorphous materials are ubiquitous in everyday life. They comprise "hard" and"soft" glasses. Hard amorphous systems are usually seen as structure materials, with properties and use comparable to those of crystalline solids. Soft glasses are usually seen as complex fluids, described in terms of their rheological properties with the corresponding practical applications (concrete, paints, drilling mud, cosmetic gels, creams or foams, etc). Amorphous materials can either present a solid-like behaviour or flow depending on their mechanical load: all are yield-stress fluids. Their usage limits are often defined by the occurrence of shear-banding, an extreme form of localization seen in molecular glasses as well as in granular materials. There is now considerable evidence that they are consequences of the existence of a disordered structure at the level of the elementary constituents (atoms, particles,...). Studies of plasticity in amorphous solids, are still hampered by the lack of any identifiable defect responsible for the plastic response. It is now acknowledged that plasticity is the net result of local rearrangements, or "shear transformations", involving small clusters of (say a few tens of) particles. These rearrangements are thermally--activated and are ubiquitous processes in the structural relaxation and deformation of glasses at low temperatures. Unfortunately, they take place over timescales long compared to those accessible to direct Molecular Dynamics simulations. Some extremely promising new tools, however, are opening the route towards accelerated algorithms for the simulation of thermal systems. They are based on numerical methods developed over these last two decades to determine thermally activated transitions in atomic systems. Of particular interest here is the Activation-Relaxation Technique (ART), an eigenvector-following method that allows the identification of activated states and paths in the potential energy landscape of atomic systems. In this study, we will show that although an exhaustive search for saddle points in case of disordered solids is unfeasible (because of the exponential number of activated states), ART can identify enough saddles to build statistically relevant samples, from which stationary distributions can be computed. The purpose of this strictly numerical thesis was the prediction of thermally activated kinetics in glasses such as those encountered experimentally. The nature of such miscroscopic events occuring in disordered systems was studied both under mechanical stress and in ageing conditions. We investigate two quantities that describe thermally-activated events within the harmonic approximation of the transition state theory, i.e. activation energy and attempt frequency.Since in the definition of an attempt frequency the curvature of the initial minimum and the saddle point are present, we wanted to see if there was a relation between attempt frequencies and activation energies of a given event in two types of systems: metallic glasses and silica glasses. Such correlation had been observed before for a wide range of phenomena and is referred to as the Meyer-Neldel compensation rule. We also attempt to answer if the simple BKS potential without Ewald summation is able to reproduce polyamorphism observed in silica glasses subject to hydrostatic compression and characterized mainly in terms of coordination numbers. Apart from thermally activated processes, the structural analyses of metallic and silica glasses were performed. The short and medium range orders were characterized using two methods: Voronoi tesselations for metallic glasses, providing us information about near neighbor conformations, and in case of silica, statistics of ring distributions.


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