Published September 27, 2019 | Version v1
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Study of dislocation - vacancy clusters interaction by numerical simulations

Description

Vacancy clusters have been observed and characterized experimentally in highly pure metals after plastic deformation or after a particular sequence of heat treatments. These clusters hinder the dislocation propagation and can therefore harden the metal. Using numerical simulations we have explored different mechanisms of dislocation propagation through a vacancy-cluster distribution, for several applied shear stress and temperature. At high stresses, the force applied on the dislocation becomes greater than the pinning forces acting on the line. The dislocation gets through the cluster distribution by gliding and shearing the clusters. The dependence of the pinning force with the cluster size is adjusted on our molecular static simulations. In this stress range, the pinning configurations are rare and the thermal activation is sufficient to unpin the line. The probability for the line to pass the pinning configuration depends on the activation enthalpy, a parameter that we have also estimated using an analytical model adjusted on our atomistic results. At lower stresses, when the applied force is below the pinning forces induced by the cluster, the probability that the dislocation unpins by pure glide becomes negligible. The diffusion of vacancies, emitted preferentially from the vacancy clusters, intervenes and promotes the formation of jogs that contributes to the unpinning of the line. Such a mechanism is the glide assisted by climb. The emission, the absorption and the vacancy migration barriers have been determined by molecular static and are highly dependent on the elastic field and the atomic network distortion induced by the dislocation. This promotes a strong diffusion anisotropy in the vicinity of the dislocations which leads in particular to the pipe diffusion mechanism. The evolution with time of all these mechanisms has been studied using an elastic line model coupled to a kinetic Monte Carlo algorithm in which the parameters come from our atomistic simulations. According to the model assumptions, we obtained an estimation of dislocation velocity as a function of the applied shear stress and the temperature. We used the Orowan's law to estimate the strain rate related to such mechanisms. (author)

Abstract (French)

Des amas de lacunes ont ete observes et caracterises experimentalement dans les metaux de haute purete apres deformation plastique ou apres une suite de traitements thermiques particuliers. Ces amas sont des obstacles a la propagation des dislocations et peuvent par consequent induire un durcissement du metal. Cette etude par simulations numeriques a permis d'explorer differents mecanismes de propagation de dislocations dans une concentration d'amas en fonction de la contrainte de cisaillement appliquee et de la temperature. A haute contrainte, la force appliquee sur la dislocation devient superieure aux forces d'ancrage s'exercant sur la ligne. La dislocation franchit la distribution d'amas en glissant et en cisaillant les amas. La dependance de la force d'ancrage en fonction de la taille de l'amas est ajustee sur nos simulations de statique moleculaire. Dans ce domaine de contrainte, les configurations d'amas ancrant la dislocation sont rares et l'activation thermique suffit a desancrer la ligne. La probabilite de desancrer la ligne depend de l'enthalpie d'activation, un parametre que nous avons egalement estime a l'aide d'un modele analytique ajuste sur nos resultats atomistiques. A plus faible contrainte, lorsque la force appliquee est inferieure aux forces d'ancrage induites par les amas, la probabilite que la dislocation se desancre uniquement par glissement devient faible. La diffusion des lacunes, emises preferentiellement des amas, intervient alors et favorise la formation de crans. Cela contribue au desancrage de la ligne. Ce mecanisme est le glissement assiste par la montee. Les barrieres d'emission, d'absorption et de migration de lacunes ont ete determinees par statique moleculaire et sont fortement dependantes du champ elastique et de la distorsion du reseau atomique generes par la presence de la dislocation. Cela induit une forte anisotropie de diffusion au voisinage des dislocations qui conduit notamment au mecanisme de 'pipe diffusion'. L'evolution au cours du temps de l'ensemble de ces mecanismes a ete etudiee a l'aide d'un modele de ligne elastique couple a un algorithme de Monte Carlo cinetique dont l'ensemble des barrieres d'energie provient de nos simulations atomistiques. Moyennant les hypotheses du modele, nous avons alors obtenu une estimation de la vitesse des dislocations en fonction de la contrainte et de la temperature appliquee. Nous avons ensuite utilise la loi d'Orowan pour estimer la vitesse de deformation liee a ces mecanismes

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Additional details

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Original title (French)
Etude de l'interaction dislocation - amas de lacunes par simulations numeriques

Publishing Information

Imprint Pagination
248 p.
Report number
CEA-R--6541

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
51097760
Subject category
S36: MATERIALS SCIENCE;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
CREEP; DIFFUSION; DISLOCATIONS; METALS; MONTE CARLO METHOD; PLASTICITY; SIMULATION; SIZE; TEMPERATURE DEPENDENCE
Descriptors DEC
CALCULATION METHODS; CRYSTAL DEFECTS; CRYSTAL STRUCTURE; ELEMENTS; LINE DEFECTS; MECHANICAL PROPERTIES

Optional Information

Notes
244 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses
Secondary number(s)
FRCEA-TH--11799