Modélisation micromécanique des défauts cristallins informée par simulation atomistique

Micromechanical Modeling of Crystal Defects Informed by Atomistic Simulation

• Auteur / Autrice : Houssam Kharouji
• Direction : Vincent Taupin, Julien Guénolé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 05/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Berbenni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Taupin, Julien Guénolé, Samuel Forest, Manas Vijay Upadhyay, Lucile Dezerald, Anne Tanguy, Sandrine Thuillier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samuel Forest, Manas Vijay Upadhyay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Joints de grains

Dislocations dans les métaux

Transitions de phases

Analyse multiéchelle

Simulation, Méthodes de

Métaux -- Défauts

Micromécanique (physique du solide)

Mots clés libres

Multiéchelle

Atomistique

Continu

Mécanique des champs de dislocations

Joints de grains

Tenseur de Nye

Multiscale

Atomistic

Continuum

Dislocation field mechanics

Grain boundaries

Nye tensor

Résumé

Cette thèse propose un cadre multiéchelle pour modéliser de manière continue les structures de cœur des défauts cristallins, tels que les dislocations et les joints de grains, ainsi que leurs interactions élastiques et les énergies de cœur associées, en combinant des approches atomistiques et de mécanique des milieux continus. L'idée centrale de cette étude est de transformer les structures atomiques de coeurs des défauts en champs continus de densités de dislocations, tout en préservant les détails atomistiques essentiels. L'approche développée repose sur un modèle micromécanique récent basé sur la mécanique des champs de dislocations qui utilise le tenseur de densité de dislocation de Nye, dérivé des données atomistiques, pour modéliser les champs mécaniques à courte et longue portée associés à ces défauts. La méthode a été appliquée avec succès à des dislocations vis compactes dans le tungstène, issues de simulations extit{ab initio}, ainsi que sur des joints de grains dans le cuivre, simulés par statique moléculaire. Cette approche s'est révélée capable de reproduire remarquablement les vecteurs de Burgers et les champs mécaniques des défaut, démontrant l'absence de perte significative d'information au niveau des cœurs des défauts. Il a été possible de reproduire des joints de grains de tout angle de désorientation en utilisant une densité équivalente de dislocations, tout en capturant les champs élastiques continus. Par ailleurs, cette étude a permis d'intégrer les champs élastiques et les densités de dislocations dans des fonctionnelles énergétiques basées sur le tenseur de Nye, typiquement utilisées au sein de modèles de plasticité à gradient, afin d'évaluer leur contribution respective à l'énergie totale des joints de grains. Nous avons ainsi analysé et discuté les formes de fonctionnelles pertinentes pour ces modèles énergétiques, en explorant l'origine physique du paramètre de longueur interne inhérent à ces fonctionnelles, et sa dépendance aux types de joints de grains, aux structures atomistiques, et à l'échelle de résolution spatiale. Cette formulation nous a permis d'établir des corrélations entre les structures atomiques des joints de grains et les énergies de cœur, apportant des perspectives nouvelles pour la compréhension et la modélisation des défauts cristallins dans les matériaux polycristallins.

This thesis proposes a multiscale framework aimed at providing a continuous representation of the core structures of crystalline defects, such as dislocations and grain boundaries, as well as their elastic interactions and associated core energies, by combining atomistic and continuum mechanics approaches. The central idea of this study is to transform the atomic core structures of defects into continuous fields of dislocation densities, while preserving the essential atomistic details. The approach developed relies on a recent micromechanical model based on field dislocation mechanics, , which uses the Nye dislocation density tensor, derived from atomistic data, to reproduce the short and long-range mechanical fields associated with these defects. The method has been successfully applied to compact screw dislocations in tungsten, derived from extit{ab initio} simulations, as well as to grain boundaries in copper, simulated by molecular statics. This approach is capable of remarkably reproducing Burgers vectors and defect mechanical fields, demonstrating the lack of any significant loss of information at defect cores. It was possible to reproduce grain boundaries of any misorientation angle using an equivalent density of dislocations, while capturing the continuous elastic fields. Furthermore, this study enables to integrate elastic fields and dislocation densities into Nye tensor-based energy functionals, typically used within strain gradient plasticity models, in order to assess their respective contribution to the total energy of grain boundaries. We analyzed and discussed the relevant forms of energy functionals, explored the physical origin of the internal length parameter inherent to these functionals, and its dependence on grain boundary types, atomistic structures, and spatial resolution scale. This formulation enables to establish correlations between grain boundary atomistic structures and core energies, providing new insights into the understanding and modeling of crystal defects in polycrystalline materials.