Simulation ab initio des défauts étendus du Ti & en présence d'interstitiels H et O

Ab initio simulation of extended defects of &-Ti in presence of interstitial atoms H & O

• Auteur / Autrice : Liang Liang
• Direction : Olivier Hardouin Duparc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/03/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des solides irradiés (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire des Solides Irradiés / LSI - UMR 7642
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Jury : Président / Présidente : Hichem Dammak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Hardouin Duparc, Emmanuel Clouet, Adrian P. Sutton, Anna Serra
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joseph Morillo, Laurent Capolungo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Macles (cristallographie)

Méthodes ab initio (chimie quantique)

Impuretés interstitielles

Dislocations dans les métaux

Titane

Plasticité

Mots clés libres

Titane

Coeur de dislocation

Soluté

Simulation ab initio

Macle

Fautes d'empilements

Titanium

Dislocation core

Solute

Ab initio simulation

Twin

Stacking-Faults

Résumé

RÉSUMÉ : Le but de cette thèse est d’étudier en ab initio l’influence des solutés hydrogène ou oxygène sur les défauts étendus dans le titane alpha. Les résultats sont divisés en trois parties. Dans la première partie le site interstitiel octaédrique du Ti-alpha est trouvé être le site énergétiquement le plus favorable pour un H ou un O. Les calculs avec différentes concentrations en H ou O montrent que la présence d’H augmente le volume tandis que O a un effet inverse. La présence d’H en soluté diminue légèrement les constantes élastiques, la présence d’O a un effet opposé. Deux nouvelles SF sont trouvées dans la deuxième partie : une faute 0,57·(c+a) dans le plan π2 et 0,215·[1-102] dans le plan π1. La deuxième est reliée à la faible énergie de formation de la macle {10-11}. Un mécanisme de dissociation triple du cœur de la dislocation vis c+a est proposé. Mais cette dissociation ne semble pas se produire spontanément à partir d'un cœur de dislocation initialement parfait. Puisque la ségrégation à la faute signifie une diminution de l’énergie de faute, nous déduisons de nos calculs de ségrégation que la présence d'O rend sans doute la formation des SF énergétiquement plus difficile, contrairement au cas d’H. H ségrége fortement au cœur d’une dislocation vis a, avec une énergie variant de 0,06 à 0,30 eV, tandis que O y segrége très difficilement. Positionnés dans les sites les plus internes du cœur d’une dissociation prismatique métastable, en glissement, H et O induisent une dissociation dans le plan π1 ou vers une configuration prisme-π1 mélangée. Les barrières d'énergie de Peierls mesurées avec H et O dans différents sites et avec différentes concentrations montrent que H rend le glissement de la dislocation plus difficile, augmentant ainsi sans doute la cission critique résolue dans le plan prismatique, ce qui est en accord avec les mesures expérimentales. Mais les effets de H ne sont pas assez grands pour induire un glissement dévié vers le plan π1 et la dislocation continuera à glisser dans un même plan prismatique. Avec un O, la barrière d'énergie de Peierls est extrêmement élevée, beaucoup plus que celle pour un glissement dans le plan π1 ou un glissement dans le plan prismatique le plus proche. Du glissement dévié devrait ainsi être induit. Finalement, trois méthodes différentes de déformations de macles sont utilisées. Les stabilités structurale des joints de macles dépendent de leurs caractères structuraux intrinsèques mais aussi des modes de déformation appliqués. La macle la plus observée, {10-12}, et la macle {11-22} ne résistent pas à une déformation de plus de 1% ou 2% selon l’axe c. La présence de H ou O ségrégés améliorent la stabilité des macles {10-12} et {11-22}. Un modèle de dipôle de dislocations de mâclage (TD) est proposé pour permettre de simuler une TD dans une super-cellule de petite taille. Pour {10-12} et sa TD, les énergies de ségrégation de H et O mesurées au niveau du joint permettent de valider ce modèle. H et O peuvent se distribuer de manière plus ou moins homogène au joint et niveau de la TD mais pas dans les sites interstitiels de la couche atomique liée à la TD.

ABSTRACT: The aim of this thesis is to study the influence of hydrogen or oxygen solutes on extended defects in alpha titanium by ab initio calculation. Results are divided into three parts. In a first part the octahedral interstitial site of alpha-Ti is found energetically more favorable for a H or an O atom. The presence of H increases the volume while O has the opposite effect. The presence of H slightly decreases the elastic constants of alpha-Ti while O has an opposite effect. In a second part two new SFs are found: 0.57·(c+a) on π2 and 0.215·[1-102] on π1 plane. The second one is related to the low formation energy of the {10-11} twin boundary. A c+a screw dislocation 3-part dissociation mechanism is proposed. However the c+a screw core tends to spread differently according to the initial core position and a complete 3-part dissociation is not found, which may mean that such a dissociation is not easily obtainable from an initially perfect dislocation core. As segregation to SF means a decrease of the SF energy, the presence of O may make the SF formation energetically more difficult, contrary to H case. H strongly segregates to the a screw dislocation core region with segregation energies varing from 0.06 to 0.3 eV while O hardly segregates to it. Both H and O in core sites change the meta-stable gliding prismatic dissociation to π1 plane or a prism-π1 plane mixed configuration. According to our measurements of Peierls energy barriers with H or O in different sites and concentrations, H makes the gliding more difficult, thus increasing the CRSS in prismatic plane, in agreement with experimental measurements. The effect of H is not big enough to induce a cross-slip of the gliding a-screw dislocation to the π1 plane and that screw will prefer to keep on gliding in its same prismatic plane. The Peierls energy barrier is extremely increased when an O is present in the core position, much higher than the barrier for π1 plane glide or a glide in the nearest prismatic plane. A cross-slip could happen in this case. In the last part, three different deformations are applied to TBs. Their structural stabilities depend not only on their intrinsic characters at the atomistic level but also on the deformation mode applied. {10-12}, {11-22} TB structures fail for deformations as low as 1% or 2% along the c-axis. The {11-21} and the {10-11} TBs are much more resistant. The presence of segregated H and O enhances the {10-12} and {11-22} TB limited stability. A twinning disconnection dipole model is proposed which allows the simulation of a TD in a size limited supercell. Segregation energy calculations with the {10-12} TB and its TD validate the model at the TB level and show that H and O should distribute more or less homogeneously to the TD core and the TB, with only a slight preference to the TD core although not at the interstitial sites of the atomic layer related to the disconnection step itself.