Modélisation atomistique du glissement et de l’ancrage des dislocations dans les aciers ferritiques Fe-C

Atomistic modelling of dislocation glide and pinning in iron and carbon steel

• Auteur / Autrice : Arnaud Allera
• Direction : David Rodney, Michel Perez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Jean Colombani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Rodney, Michel Perez, Emmanuel Clouet, Charlotte Becquart, William Curtin, Fabienne Ribeiro, Céline Varvenne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Clouet, Charlotte Becquart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux -- Défauts

Dislocations dans les métaux

Dynamique moléculaire

Plasticité

Acier ferritique

Mots clés libres

Plasticité

Simulation atomistique

Dislocations

Défauts cristallins

Dynamique moléculaire

Potentiel interatomique

Acier

Plasticity

Atomistic simulation

Dislocations

Crystal defects

Molecular dynamics

Interatomic potential

Steel

Résumé

Les aciers ferritiques, constitués d'une matrice de fer cubique centré (CC) avec des solutés de carbone interstitiels, sont des matériaux de structure largement utilisés. Pourtant, les mécanismes qui contrôlent leur plasticité à l'échelle atomique ne sont encore que partiellement compris. A basse température, la déformation plastique des métaux CC est contrôlée par la mobilité des dislocations vis, qui est limitée à la fois par une forte résistance du réseau lui-même, et par la présence d'autres défauts cristallins, dont notamment les atomes de soluté. Les modèles de mobilité des dislocations à l'échelle atomique basés sur la théorie des états de transition (TET) fournissent un cadre pour modéliser la déformation plastique des métaux purs et de leurs alliages. Cependant, les approximations couramment utilisées pour appliquer ces modèles (approximation harmonique, entropie d'activation constante) donnent de médiocres résultats dans le fer. Nous avons calculé l'enthalpie libre d'activation pour la nucléation de paires de crans grâce à la récente méthode projected average force integrator, qui permet de prendre en compte les effets anharmoniques. Les données indiquent que le régime harmonique est limité à des températures très basses, inférieures à 20 K. Les non-linéarités restent faibles en dessous de 100 K, permettant de calculer une entropie d'activation effective, qui augmente lorsque l'enthalpie d'activation diminue, ce qui correspond à un comportement Meyer-Neldel inverse. L'intégration de ces effets dans les modèles de mobilité des dislocations améliore considérablement l'accord avec les simulations de dynamique moléculaire (DM). L'application de ces approches aux alliages Fe-C demeure limitée par le réalisme des potentiels interatomiques disponibles pour ce système. Pour résoudre ce problème, nous avons combiné deux potentiels empiriques existants pour Fe et Fe-C afin de reproduire à la fois le mécanisme de Peierls et la reconstruction des coeurs de dislocation vis en présence de carbone mise en évidence par des calculs ab initio. Des simulations de DM du glissement d'une dislocation vis dans une solution solide aléatoire utilisant ce potentiel confirment un fort durcissement, causé par des processus complexes d'interaction à courte distance entre dislocation et solutés. Nous avons également étudié une géométrie idéalisée où une dislocation vis interagit avec une rangée d'atomes de carbone. En combinant des simulations de DM et des méthodes de recherche de point-col, nous dévoilons un très fort ancrage lorsque la séparation des solutés est inférieure à environ 100 vecteurs de Burgers. Cet effet est dû à la nécessité de nucléer deux paires de cran consécutivement sur la dislocation, la deuxième paire ayant une enthalpie d'activation nettement augmentée. Nous avons développé un modèle de ce processus basé sur la TET harmonique, qui intègre également les effets entropiques observés dans le fer pur, en bon accord avec les simulations de DM menées jusqu'à 300 K. Ce travail fournit des processus et des paramètres élémentaires qui seront utiles pour des modèles à plus grande échelle et en particulier des simulations Monte Carlo cinétique.

Ferritic steels, made of a body-centered cubic (bcc) iron matrix with interstitial carbon solutes, are widely-used structural materials. However, the atomic-scale mechanisms which control their plasticity are still only partially understood. At low temperature, the plastic deformation of bcc metals is controlled by the mobility of the screw dislocations, which is hindered by both a strong resistance of the lattice itself, and the presence of other crystal defects, among which are solute atoms. Atomic-scale models of dislocation mobility based on the Transition State Theory (TST) constitute a useful framework to model plastic flow in pure metals and in alloys. However, the approximations often used (harmonic approximation, constant activation entropy) yield poor predictions in iron. We used the recent projected average force integrator method to compute the activation free enthalpy for kink pair nucleation, including anharmonic effects. The data show that the harmonic regime is limited to very low temperatures, below 20 K. Non-linearities remain small below 100 K, allowing to compute an effective activation entropy, which increases when the activation enthalpy decreases, corresponding to an inverse Meyer-Neldel behavior. Integrating these effects in dislocation mobility models greatly improves the agreement with direct molecular dynamics (MD) simulations. Extensions to Fe-C alloys are limited by the realism of the interatomic potentials available for this system. To address this issue, we combined two existing empirical potentials for Fe and Fe-C to reproduce both the Peierls mechanism and the carbon-induced screw dislocation core reconstruction found in ab initio calculations. Using this hybrid potential, MD simulations of the glide of screw dislocations in random solid solutions confirm a strong solute strengthening, caused by complex short-ranged interaction processes. We also considered an idealized geometry where a screw dislocation interacts with a row of carbon atoms. Combining MD simulations and saddle-point search methods, we unveil a very strong pinning when the solute separation is below about 100 Burgers vectors. This effect is due to the necessity to nucleate two consecutive kink pairs on the screw dislocation, with the second kink pair having a markedly increased activation enthalpy. We developed a harmonic TST model of this process that also integrates the entropic effects observed in pure iron, which yields a good agreement with MD simulations conducted up to 300 K. This work provides elementary processes and parameters that will be useful for larger-scale models and in particular kinetic Monte Carlo simulations.