Multi-scale simulations of mechanical behavior of carbide and carbide-metal interface from first principles
Simulation multi-échelles du comportement mécanique des carbures et des interfaces carbure-métal à partir des premiers principes
Résumé
Ferritic and austenitic steels as well a nickel-based alloys contains generally carbides. These carbides under mechanical load may display either interfacial or intra-precipitate fracture. The objective of this thesis is to simulate the fractures of various interfaces and carbides from the first principles. The evaluated fracture parameters may be input for cohesive zone models used in finite elements computations. Decohesion curves are obtained using the UBER model (Universal Bonding Energy Relation) based on the use of characteristic parameters of the interfaces or carbides such as the thickness, of the volume involved in the fracture process, its Young's modulus or its Griffith energy. To validate this model, tensile test simulations are performed by DFT (Density Functional Theory). Different carbides (Fe3C, Cr23C6 and TiC) have been studied during this thesis, varying the metallic atoms, the crystallographic structure and the magnetic order of the matrix. We conclude that depending on the nature of the carbide, the fracture is located either at the interface (Cr23C6) or inside the carbide (Fe3C). These crack initiation predictions are in agreement with many experimental observations. Finally, crystalline finite element calculations are performed. In the case of Cr23C6 carbides, the finite element calculations using the computed critical stress predict an interface crack initiation. In the case of titanium carbides, both interface and intra-precipitate carbide crack initiation are predicted.
Les aciers ferritiques et austénitiques ainsi que les alliages à base nickel contiennent généralement des carbures. Ces carbures présentent des ruptures interfaciales ou intra-précipité. L'objectif de cette thèse est de prédire les ruptures des interfaces et des carbures à partir de simulations et de modèles atomistiques. Les paramètres de fracture calculés permettront d'alimenter des simulations par éléments finis avec des zones cohésives. Les courbes de décohésion sont obtenues en utilisant le modèle UBER (Universal Bonding Energy Relation) qui utilise des paramètres caractéristiques de l'interface, du carbure ou du métal comme l'épaisseur du volume affectant la rupture, son module d'Young ou l'énergie de Griffith. Pour valider ce modèle, des simulations d'essais de traction menées jusqu'à rupture sont effectuées par DFT (Density Functional Theory). Différents carbures (Fe3C, Cr23C6 et TiC) sont étudiés durant cette thèse en faisant varier les atomes, la structure cristallographique et l'ordre magnétique de la matrice métallique. Nous prédisons qu'en fonction de la nature du carbure, la fracture se localise soit à l'interface (Cr23C6) soit à l'intérieur du carbure (Fe3C). Ces prédictions de rupture sont en accord avec les observations expérimentales. Finalement des calculs par éléments finis sont effectués. Dans le cas du carbure Cr23C6, les calculs par éléments finis cristallins et l'utilisation des paramètres calculés par DFT prédisent une rupture de l’interface. Dans le cas du carbure de titane, la rupture prédite en couplant les deux approches peut être intra-précipité ou interfaciale.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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