Ecole Doctorale

Physique et Sciences de la Matière

Spécialité

PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : MATIERE CONDENSEE et NANOSCIENCES

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Joint de grain,Ségrégation,Simulation atomistique,Surface,TB-SMA,Monte carlo,

Keywords

grain boundary,Segregation,Atomic scale simulation,Surface,TB-SMA,Monte carlo,

Titre de thèse

Vieillissement des aciers austénitiques: modélisation atomistique de la ségrégation
Austenitic steels's aging: atomistic modeling of segregation

Date

Lundi 20 Décembre 2021 à 14:30

Adresse

CINaM - UMR 7325 CNRS/Aix-Marseille Université Campus de Luminy, case 913 13288 Marseille cedex 9 Salle Raymond Kern

Jury

Directeur de these M. Guy TREGLIA CINaM, AMU
CoDirecteur de these M. Adnene DHOUIB IPEIN, université de Carthage
Rapporteur M. Slaheddine KRICHèNE IPEIT, université de Tunis
Examinateur Mme Boutheina KERKENI LPMC, FST, université Tunis el Manar
Rapporteur Mme Christine GOYHENEX IPCMS Strasbourg
Examinateur Mme Anne HEMERYCK LAAS Toulouse
Examinateur M. Philippe MAUGIS Im2nP, AMU
Examinateur Mme Najoua DERBEL Laboratoire de Spectroscopie Atomique Moléculaire et Applications

Résumé de la thèse

Le vieillissement des aciers pose un problème crucial dans bien des industries, en particulier dans celle du nucléaire où elle est un élément essentiel de la réflexion sur la définition de la durée de vie des éléments. En effet, la ségrégation aux défauts du matériau d'éléments tels que le carbone, ou les additifs métalliques (nickel, chrome), modifie fortement ses propriétés mécaniques et sa résistance à la corrosion. L’objet de ce travail est de modéliser la ségrégation aux joints de grains dans l’alliage austénitique Fer-Nickel, élément constitutif des internes de cuve d’un réacteur nucléaire, dans lequel la prise en compte des effets du magnétisme peut s’avérer essentielle. Pour cela nous avons développé un potentiel interatomique à N-corps dans l’Approximation dite du Second Moment des Liaisons Fortes, qui prend en compte le magnétisme de façon effective par l’ajustement d’une base de données issues de calculs basés sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT). Nous avons commencé par étudier l’effet du magnétisme sur la structure des joints de grains Σ5 (210) et (310) [001] des deux éléments constitutifs purs Fe et Ni par des simulations de Dynamique Moléculaire fondées sur ce potentiel. Nous avons ainsi mis en évidence que le magnétisme diminue de façon significative à la fois l’énergie et le volume d’excès du joint et la contrainte dans la région qui l’entoure. Il peut même dans certains cas modifier la microstructure des joints et leurs stabilités relatives. Nous avons ensuite étudié la ségrégation au voisinage de ces joints dans les limites diluées Fe(Ni) et Ni(Fe), où nous avons pu montrer que là encore le magnétisme joue un rôle essentiel puisqu’il peut changer la nature de l’élément qui ségrége et le profil de ségrégation perpendiculairement au joint. Cette ségrégation dépend aussi fortement de la structure de joint étudié. Finalement ces résultats ont été comparés à ceux obtenus pour la ségrégation au voisinage de la surface, permettant de tirer des leçons générales sur les ressemblances et différences des deux types de ségrégation.

Thesis resume

The aging of steels sets a crucial problem in many industries, in particular in the nuclear industry where it is an essential element in the reflection on the definition of the lifetime of elements. In fact, the segregation at material defects of elements such as carbon, or metallic additives (nickel, chromium), strongly modifies its mechanical properties and its resistance to corrosion. The aim of this work is to model the segregation at the grain boundaries in the austenitic iron-nickel alloy, a constituent element of the vessel internals of a nuclear reactor, in which taking into account the effects of magnetism can prove to be essential. For this we have developed an N-body interatomic potential in the so-called Second Moment of Tight-Binding Approximation, which takes into account magnetism in an effective way by adjusting a database resulting from calculations based on the Functional Density Theory (DFT). We started by studying the effect of magnetism on the Σ5 (210) and (310) [001] grain boundary structure of the two pure constituent elements Fe and Ni by means of Molecular Dynamics simulations based on this potential. We have thus demonstrated that the magnetism significantly decreases both the joint excess energy and the excess volume and the stress in the surrounding region. It can even in some cases modify the microstructure of the joints and their relative stabilities. We then studied the segregation in the vicinity of these joints in both dilute limits Fe (Ni) and Ni (Fe), where we have shown that here again magnetism plays an essential role since it can change the nature of the element which segregates and the segregation profile perpendicular to the joint. This segregation also strongly depends on the joint structure studied. Finally, these results were compared with those obtained for segregation near the surface, allowing to derive general lessons on the similarities and differences of the two types of segregation.