Multi-scale modelling of point defects in body-centered cubic metals
Description
The modelling of metals under extreme conditions requires a multi-scale approach. Indeed, for reasons of numerical complexity, it is not possible to use a unique formalism, accurate and transferable for all scales of simulation. In general, one or more methods have to be used for a given spatial and temporal scale. These methods are based on approximations - physical and/or numerical - which are more and more numerous when the simulated space and time scales increase. Multi-scale modelling can therefore be summarised as a - utopian - balance between simulated 'space-time' scales and representativeness of phenomena involved in the transformations of the system studied. Multi-scale methods applied to materials science must also take into account the effects of finite temperatures in order to simulate structures in their nominal conditions of industrial use. In recent years, temperature effects have been treated in the context of local approximations: harmonic and/or quasi-harmonic. Taking into account anharmonic effects remains difficult - but necessary to be representative of physical phenomena - and is a main research topic for the improvement of multi-scale models. The objectives of this thesis are (i) to develop new simulation tools to extend the applicability of multi-scale methods (ii) and to estimate finite temperature quantities. We rely on a set of methods, in full expansion in the field of materials science: Machine Learning. These methods allow to develop systematic statistical tools and to study correlations more easily. In a first step, we develop methods for fast estimation of quantities derived from the harmonic vibrational properties: the defect formation entropy and the attack frequencies. The formalism developed is accurate, transferable and allows to greatly reduce the numerical cost (traditionally evolving as O(N3) where N is the number of particles in the system) whose numerical complexity evolves as O(N). In a second step, we are interested in quantifying the influence of anharmonic effects for metallic systems. We develop a direct computational approach (coupling Machine Learning and free energy methods) to calculate the self-diffusion coefficient, with an accuracy of ab initio, in body-centered cubic metals. We directly confront our results with the experiment and we give a - general - explanation, for the cubic centered metals, of the anomalous behavior of the self-diffusion coefficient at high temperatures. (author)
Abstract (French)
La modelisation des metaux sous conditions extremes necessite une approche de type multi-echelles. En effet, pour des raisons de complexite numerique, il n'est pas possible d'utiliser un formalisme unique, precis et transferable pour toutes les echelles de simulation. Il correspond, en general, une ou plusieurs methodes utilisables pour une echelle spatiale et temporelle donnee. Ces methodes se basent sur des approximations - physiques et/ou numeriques - dont le nombre croit lorsque les echelles d'espace et de temps simules augmentent. La modelisation multi-echelle peut donc se resumer comme un - utopique - equilibre entre echelles 'spatio-temporelles' simulees et representativite des phenomenes mis en jeu lors des transformations du systeme etudie. Les methodes multi-echelles appliquees a la science des materiaux doivent aussi prendre en compte les effets de temperatures finies afin de simuler des structures dans leurs conditions nominales d'utilisation industrielles. Ces dernieres annees, les effets de temperature ont ete traites dans le cadre d'approximations locales: harmonique et/ou quasiharmonique. La prise en compte des effets anharmoniques reste difficile - mais necessaire pour rendre compte de certains phenomenes physiques - et est un sujet de recherche a part entiere pour l'amelioration des modeles multi-echelles. Les objectifs de cette these sont de (i) developper de nouveaux outils de simulations afin d'etendre les domaines d'applicabilite des methodes multi-echelles (ii) et d'estimer des grandeurs de temperatures finies. Nous nous basons sur un ensemble de methodes en plein essor dans le domaine de la science des materiaux: le Machine Learning. Ces methodes permettent de developper des outils statistiques systematiques et d'etudier plus facilement des correlations. Dans un premier temps, nous developpons des methodes d'estimations rapides de quantites derivees de proprietes vibrationnelles harmoniques: l'entropie de formation de defauts et les frequences d'attaque. Le formalisme developpe est precis, transferable et permet de reduire grandement le cout numerique (evoluant traditionnellement comme O(N3) ou N est le nombre de particules dans le systeme) dont la complexite numerique evolue comme O(N). Dans un deuxieme temps, nous nous interessons a quantifier l'influence des effets anharmoniques pour des systemes metalliques. Nous developpons une approche de calcul direct (couplant Machine Learning et methodes d'energie libre) permettant de calculer le coefficient d'auto-diffusion, avec une precision 'ab initio', des metaux cubiques centres. Nous confrontons directement nos resultats avec l'experience et nous donnons une explication, generale pour les metaux cubiques centres, du comportement anormal du coefficient d'auto-diffusion a hautes temperatures
Files
Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Modelisation multi-echelles des defauts d'irradiation dans les metaux cubiques centres
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 241 p.
- Report number
- FRCEA-TH--16461
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54123612
- Subject category
- S36: MATERIALS SCIENCE;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ACCURACY; APPROXIMATIONS; BCC LATTICES; COMPUTERIZED SIMULATION; CORRELATIONS; DEFECTS; MACHINE LEARNING; METALS; SELF-DIFFUSION
- Descriptors DEC
- ALGORITHMS; ARTIFICIAL INTELLIGENCE; CALCULATION METHODS; CRYSTAL LATTICES; CRYSTAL STRUCTURE; CUBIC LATTICES; DIFFUSION; ELEMENTS; LEARNING; MATHEMATICAL LOGIC; SIMULATION; THREE-DIMENSIONAL LATTICES
Optional Information
- Notes
- 260 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses