Simulation atomistique d’un laser ultrarapide induisant la dévitrification de verres métalliques

Atomistic Simulations of Ultrafast Laser-induced Devitrification of Metallic Glasses

• Auteur / Autrice : Djafar Iabbaden
• Direction : Jean-Philippe Colombier, Florence Garrelie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux et génie mécanique
• Date : Soutenance le 27/01/2023
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Pierson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Pierson, Jonathan Amodeo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Leonid V. Zhigilei, Anne Tanguy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Macles (cristallographie)

Alliages

Défauts

Nanoparticules

Verres métalliques

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

Dynamique moléculaire

Laser ultrarapide

Verre métallique

Dévitrification

Défauts

TTM-MD

Alliages CuZr

Maclage

Molecular dynamics

Ultrafast laser

Metallic glass

Devitrification

Defaults

TTM-MD

CuZr alloys

Twinning

Résumé

Le traitement laser ultrarapide est une méthode moderne pour produire les matériaux nano-architecturés par une transformation de phase déclenchée localement à l'échelle du nanomètre. Dans cette thèse, nous avons abordé différents problèmes pour comprendre les mécanismes induits pas un laser ultrarapide au sein des alliages CuZr. Une approche basée sur la dynamique moléculaire et le modèle à deux températures sont combinés. Dans ce cadre, un potentiel de type EAM, capable de décrire à la fois les phases ordonnées et désordonnées est utilisé. Les recherches portent sur l'évolution structurale des alliages cristallins CuZr (B2 et C11b) et leurs homologues amorphes. En fonction de la fluence délivrée et de la durée de l'impulsion, le phénomène prédominant rencontré est la formation de maclage, la génération de défauts, la cavitation et la dévitrification. En fait, la première compagne de simulations a montré que l'interaction laser ultra-rapide avec la structure ordonnée B2 conduisait à la formation d'une phase martensitique nano-maclée B19'. Cependant, dans le cas du C11b des défauts ponctuels lacunes et interstices ont été détectés. Il a été constaté que la contrainte de traction est responsable de ces transformations. Une autre étude théorique en accord avec les travaux expérimentaux a été réalisée pour prédire la formation de cavités dans l'échantillon amorphe. Le dernier résultat porte sur la dévitrification de la structure amorphe. La composition ou la stœchiométrie a joué un rôle crucial dans la dévitrification de α-Cu 21.9Zr 78.1. Nous avons identifié que la dévitrification se produit approximativement à 9 ns après le dépôt d'énergie laser. Cette dévitrification est partielle, localisée en subsurface, et favorisée par la combinaison de deux processus élémentaires, la rupture du réseau icosaédrique par l’onde de pression et la condition de surfusion profonde.

Ultrafast laser processing is a modern method to architecture material at the nanoscale by triggering locally a phase transformation. In this dissertation, we tackled different problems to understand the complex mechanisms of the ultrafast laser-inducing transformations within the CuZr alloys. A qualitative approach combining Molecular Dynamics and Two Temperature Models issued. In this scope, a reliable Embedded Atom Method potential that is capable of describing both the ordered and disordered phases is employed. The present investigations focus on the structural evolution in crystalline CuZr alloys (B2 and C11b) and their amorphous counterparts. Depending on the laser delivered fluence and pulse duration, the main phenomenon encountered are twins, point defects generation, cavitation, and devitrification. The analysis shows that many factors affect the final specimen, such as the initial phase structure and chemical stoichiometry. Actually, the first set of simulations showed that ultrafast laser interaction with the B2 structure led to the formation of a nano-twinned martensitic phase B19'. However, in the case of the C11b point defects (vacancy, interstitial and substitutional) are detected. It was established that tensile stress is responsible for these transformations. Other theoretical investigations are in agreement with experimental work was performed to predict the cavitation formation on the amorphous sample. The last result deals with the devitrification of the amorphous structure via an ultrafast laser. The composition played a crucial role in the construction and devitrification of α-Cu 21.9Zr 78.1 metallic glasses. We have identified that devitrification occurs roughly at 9 ns after the laser energy deposition. This devitrification is partial, located on the subsurface, and favored by a combination of two processes, breaking the icosahedral network due to the compressive wave and the deep supercooling condition.