Predictions of micro-structural evolution to the end of life under irradiation of ferritic alloys by numerical simulations : towards quantitative simulation and consideration of heterogeneities
Prévisions de l'évolution micro structurale jusqu'à fin de vie sous irradiation d'alliages ferritiques par simulations numérique : vers une simulation quantitative et la prise en compte des hétérogénéités
Résumé
The aim of this thesis is to implement a more realistic description of the structural and chemical heterogeneities. In many alloys and for instance in the steels used as structural materials in nuclear power plant pressurized reactors, solute can segregate to grain boundaries under thermal ageing or irradiation. These solute segregations can affect the mechanical properties of the materials, by either reinforcing the grain boundary cohesion (like carbon) or reducing it (like phosphorous). In order to predict the segregation of these solutes, models such as the ones derived by Mac Lean for binary systems or Guttmann for multi-component systems, require the knowledge of solute – grain boundary energies, which depend on the grain boundary characteristics. These data can be obtained by simulation at the atomic scale and are currently known only for few high symmetry tilt grain boundaries (e. g. ∑3, ∑5). In this work, six different (100) twist grain boundaries with more complex structure than tilt grain boundaries, that span low to high angle misorientations generated in for Fe have been investigated. Due to their complex structure, their minimum ground state structure is difficult to determine. A large part of this thesis has been dedicated to the establishment of twist grain boundary construction methodologies. This work relies heavily on EP calculations made and analyses the diversity of grain boundaries constructed. Usually, classical ɣ-method is used. In this thesis two methods using ɣ-method as an initial step have been developed. The addition of SIA sequentially inside a twist grain boundary structure, permits to approach a ground state, however a combination of a melt and quench treatment and addition of SIA seems to be more efficient to find a ground state grain boundary microstructure. The interaction of twist grain boundary constructed, with phosphorus has been calculated and analyzed based on different descriptors. White Coghlan segregation model which is adapted for atomistic studies has been used to quantify phosphorus segregation. The integration of the impact phosphorus segregation behavior on microstructure evolution in Kinetic Monte Carlo simulations is the subject of a future work. These advances will permit to envisage more quantitative simulations under PWR-type irradiation conditions over several decades of operation, and to better understand the radiation damage mechanisms of ferritic alloys at different scales
Le but de cette thèse est de mettre en œuvre une description plus réaliste des hétérogénéités structurelles et chimiques. Dans de nombreux alliages comme les aciers utilisés en tant que matériaux de structure dans les réacteurs sous pression des centrales nucléaires, les solutés peuvent venir ségréger au niveau des joints de grains par vieillissement thermique ou irradiation. Ces ségrégations de solutés peuvent affecter les propriétés mécaniques des matériaux, soit en renforçant la cohésion de la limite du joint de grain (comme le carbone) ou en la réduisant (comme le phosphore). Afin de prédire la ségrégation de ces solutés, les modèles tels que ceux dérivés par Mac Lean pour les systèmes binaires ou Guttmann pour les systèmes multi-composants, nécessitent la connaissance des énergies soluté – joint de grain, qui dépendent des caractéristiques des joints de grain. Ces données peuvent être obtenues par simulation à l’échelle atomique et ne sont actuellement connues que pour quelques joints de grain de flexion à symétrie élevée (par exemple : ∑3 et ∑5). Dans ce travail, on a étudié six joints de grain de torsion (100) différents, dont la structure est par définition plus complexe que les joints de grain de flexion, qui s’étendent sur des désorientations de faibles à élevées, générés pour Fe. En raison de leur structure complexe, les microstructures de plus basse énergie sont difficiles à déterminer. Une grande partie de cette thèse a été consacrée à l’établissement de méthodologies de construction des joints de grains de torsion. Ce travail s’appuie fortement sur les calculs en potentiel empiriques et l’analyse la diversité des joints de grain de torsion construits. La ɣ-méthode est la méthode la plus communément utilisée pour trouver un joint de grain de plus basse énergie. Dans cette thèse, deux méthodes utilisant la méthode ɣ comme première étape de construction, ont été développées. L’ajout de SIA séquentiellement à l’intérieur d’une structure de joint de grain de torsion permet d’approcher l’état de minimum d’énergie, mais une combinaison d’un traitement de fusion et de trempe et l’ajout de SIA séquentiellement semble être plus efficace pour déterminer une microstructure de plus basse énergie. L’interaction d’un joint de grain de torsion avec le phosphore a été calculée et analysée à partir de différents descripteurs. Le modèle de ségrégation de White Coghlan, adapté aux études atomistiques, a été utilisé pour quantifier la ségrégation du phosphore. L’intégration de l’impact du comportement de ségrégation du phosphore sur l’évolution de la microstructure dans les simulations de Monte Carlo Cinétique fera l’objet de futures études. Ces avancées permettront d’envisager des simulations plus quantitatives dans des conditions d’irradiation de type REP sur plusieurs décennies d’exploitation, et de mieux comprendre les mécanismes de dommages par rayonnement des alliages ferritiques à différentes échelles
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|