Soutenance de thèse de Sally ISSA

Cette étude vise à mieux comprendre la stabilité des alliages réfractaires à haute entropie (RHEAs) de structure cubique centrée, une classe d’alliage ayant d’excellentes propriétés mécaniques jusqu’à des températures élevées. Certains d'entre eux présentent également une activité plastique induite par les transformations de phases, un phénomène intrinsèquement lié à leur stabilité. En choisissant le système Ti-Zr-Nb comme alliage modèle des RHEAs des groupes IV et V mêlant à la fois des éléments hc et cc, des calculs ab initio sont réalisés sur les alliages dilués et concentrés de ce ternaire. L’influence du défauts lacunaires est également étudiée, puisqu’ils existent dans les matériaux, sont responsables des processus de diffusion et susceptibles d'influencer la stabilité de phase. Dans la limite diluée, nos calculs indiquent que tout centre de contraction (lacune, impureté) introduit dans la matrice cc de Ti ou Zr agît comme un moteur de transition de phase vers une phase plus compacte, de type hc ou ω. Ce phénomène est caractérisé via l'analyse locale des structures électroniques et atomiques, et montre un bon accord avec des expériences de diffraction. A température finie, ce type de défaut ponctuel introduira donc d'importantes fluctuations hétérophases, ce qui pourrait expliquer l'apparition de la phase ω dans certains domaines de concentration des alliages binaires Ti-Nb, Zr-Nb et Ti-Zr. Pour les alliages équiatomiques, la stabilité de la phase est étudiée en considérant à la fois les alliages ordonnés et désordonnés (générés comme des structures spéciales quasi aléatoires). Les alliages aléatoires sont toujours plus stables et, selon la composition de l'alliage, plusieurs instabilités impliquant les mécanismes de Burgers et de Cook sont observées. La zone de stabilité de la structure cc est identifiée comme étant plutôt étendue en composition d’alliage, notamment en raison de très grandes distorsions locales du réseau. Le calcul du paramètre d'ordre local approprié montre que ces alliages bcc équiatomiques comportent intrinsèquement des fluctuations hétérophases de type ω, un comportement étroitement lié à l'effet TRIP. Enfin, on constate que les lacunes renforcent ces fluctuations de phase ; une diffusion anormale typique des alliages cc est donc attendue dans de tels RHEA.

This study aims to better understand the stability of refractory high entropy alloys (RHEAs) having a bcc structure. This class of alloys are of great current interest because of their excellent mechanical properties retained up to elevated temperatures. Some of them also show some transformation-induced plasticity, a phenomenon closely related to their stability. Selecting the Ti-Zr-Nb system as a model alloy for group IV and V RHEAs mixing both hcp and bcc elements, ab initio calculations are performed on dilute to high concentration equiatomic alloys of this system. Vacancy calculations versus alloy composition are also considered, as important defects existing in materials responsible for diffusion processes, and possibly influencing phase stability. In the dilute limit, any substitutional contraction center (vacancy, solute) introduced in the bcc Ti or Zr matrix induces a phase transition towards a more compact hcp or ω phase. This is understood using local analysis of both electronic and atomic structures; the latter agrees well with diffraction experiments. Such point defects will thus introduce important heterophase fluctuations at finite temperature, which might explain the appearance of ω phase in some concentration domains of binary Ti-Nb, Zr-Nb and Ti-Zr alloys. For high concentration cases, phase stability is studied by considering both ordered and disordered alloys (generated as special quasi random structures). Random alloys are always more stable, and depending on alloy composition, several instabilities involving Burgers and Cook’s mechanisms are observed. The bcc stability zone is identified as rather extended in alloy composition, due to very large local lattice distortions. Computation of the appropriate local order parameter shows that these bcc equiatomic alloys intrinsically comprise ω hetero-phase fluctuations, a behavior in close connection with the TRIP effect. Finally, vacancies are seen to enhance these phase fluctuations; an anomalous diffusion that is typical of bcc alloys is thus expected in such RHEAs.