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Simulations à l'échelle atomique de mécanismes locaux de plasticité dans des métaux et alliages métalliques – ATOPLAST

Résumé de soumission

La plasticité des matériaux est essentiellement assurée par le mouvement de dislocations, défauts linéaires transportant une quantité élémentaire de déplacement, leur vecteur de Burgers (<1nm). Sources de contraintes et de déformation à longue distance, en interagissant avec les obstacles distribués dans le cristal, elles donnent lieu à un durcissement caractéristique d'interactions à moyenne portée (> quelques dizaines de nm). Celles-ci masquent les interactions locales entre dislocations qui sont de ce fait mal connues. En outre, leur analyse est limitée pour deux raisons principales (i) l'absence de méthodes fiables permettant la visualisation en imagerie ou en spectroscopie de défauts cristallins nanométriques relativement peu nombreux, (ii) les limites de validité de l'élasticité linéaire sont atteintes, on ne peut plus faire l'économie de l'approche atomique. C'est de là que découle l'approche en dynamique moléculaire proposée ici. Le présent projet vise à pérenniser une coopération, débutée en 2007 entre deux (IMR et LEM) des trois partenaires, basée sur la méthode de dynamique moléculaire (MD) pour l'analyse de phénomènes locaux de plasticité généralement mal compris. Longtemps limitée par la puissance de calcul, l'approche connait un forte croissance. L'IMR lui consacre d'importants moyens en soutien du développement d'alliages et d'intermétaliques à base de titane. La première étude commune IMR-LEM a montré que sollicité en cisaillement dans la direction de pseudo maclage, TiAl produit une macle parfaite en place de la phase L11 attendue d'une analyse cristallographique. Pour épaissir une macle d'un plan atomique, le système met en jeu une séquence de cinq déplacements sur deux plans adjacents. La coopération s'est poursuivie sur un thème développé au LEM, les propriétés des dipoles de dislocations et la plasticité en glissement simple de Al, Cu, Ni (cfc) et TiAl (tétragonal centré, L10). Les dipoles coin lacunaires subissent une gamme de transformations dépendant de deux paramètres, la hauteur du dipole et la température ? outre la composition qui fixe constantes élastiques et énergie de faute d'empilement. Les dipoles très étroits (1 à 2 plans atomiques) forment des tubes de lacunes très stables aux températures d'usage qui se détruisent à haute température en donnant des débris complexes comme des tétraèdres de faute d'empilement. Importants dans la tenue mécanique de matériaux cfc irradiés, ces tétraèdres suscitent une forte activité scientifique. Nous avons trouvé qu'ils se forment par un mécanisme diffusionnel inconnu jusqu'alors. A basse température, les dipoles de 3d à 8d se réorganisent par mise en ordre stable de lacunes étendues. Sous l'effet de l'activation thermique, se forment des zig-zags de dipoles fautés quasiment indestructibles semblables dans les 4 matériaux étudiés. Ces propriétés ne dépendent pas de la taille des boites de simulation. Des simulations massives (2 millions d'atomes) du cisaillement deTiAl ont été menées jusqu'à nucléation de boucles de dislocations qui se propagent engendrant des dipoles lacunaires ou interstitiels de par les conditions aux limites périodiques. Contenues dans le plan de glissement, les boucles interstitielles sont constituées d'une juxtaposition de "crowdions". Ceux-ci se transforment en défauts ponctuels et leurs amas. Dans le droit fil de ces travaux, nos principaux objectifs sont (i) d'appliquer notre expérience à d'autres configurations dipolaires afin d'en cerner les effets sur les dislocations mobiles, (ii) d'étudier les chemins énergétiques réactionnels afin de dépasser les limites temporelles imposées par la dynamique moléculaire, ce qui constitue l'un des motifs de la présence du SIMaP dans le projet, uune autre étant son expertise en simulation atomique de défauts cristallins, (iii) de mettre au point un potentiel réaliste pour le titane-alpha qui puisse traiter les dislocations en mouvement, leurs interactions mutuelles ainsi qu'avec des éléments alliés, (iv) de tester des mécanismes de dans les compposés ordonnés comme la phase Ni3Al qui constitue le précipité durcissant des superalliages. Celle-ci ne peut macler sans que des réarrangements atomiques interviennent tandis qu'on l'observe abondamment après essais de fluage à haute température, ce qui demande une analyse fine à l'échelle atomique.

Coordination du projet

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

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Début et durée du projet scientifique : - 0 Mois

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