Filters
Results 1 - 1 of 1
Results 1 - 1 of 1.
Search took: 0.025 seconds
AbstractAbstract
[en] The object of this thesis is to study plasticity of chromium, considered as a coating layer of zirconium fuel claddings, and in these conditions needs to be able to accommodate the deformation which is imposed to it without cracking. Chromium is one of the seven pure body-centered cubic transition metals, however the only one with a magnetic structure close to antiferromagnetism at temperatures below ambient. At the atomic scale, plastic deformation of these metals at low temperature is mainly governed by the motion of screw dislocations with a 1/2<111> Burgers vector, which experience a strong friction with the crystal lattice. However, plasticity of chromium still raises numerous questions (types of dislocations, influence of magnetism), and has been the focus of a few studies aiming at characterizing its mechanical behavior. Comparing chromium to the other body-centered cubic metals, this work helped conclude on the similarities and differences it presents.Using ab initio calculations, properties of 1/2<111> screw dislocations were studied in the two non-magnetic and antiferromagnetic phases of chromium, in order to qualify the impact of magnetism on its plasticity at low temperature. This study revealed the only consequence of magnetism is the generation of magnetic faults when these dislocations shear the crystal, since their Burgers vector disrupts the magnetic order of chromium at low temperature. Thus, 1/2<111> dislocations are constrained to move while dragging a magnetic fault behind them. This fault was then studied at finite temperature using Monte Carlo simulations coupled with a Heisenberg model developed for this work, evidencing their disappearance at a temperature below the transition to magnetic disorder, close to ambient, letting dislocations free to move without dragging magnetic faults. Magnetism therefore has an impact on the plasticity of chromium at very low temperature only, where these faults exist.Accounting for the atomic properties of dislocations, as well as their thermally activated glide through nucleation of kink pairs using a line tension model, we then developed a plastic flow law predicting the yield stress as a function of the mechanical loading and the temperature, until the athermal temperature. Through a systematic study across all body-centered cubic metals, for which numerous experimental data are available, predictions of the model were both compared to experiments and between metals, in order to confirm the plastic behavior of chromium is comparable to the other metals. This systematic approach allowing at the same time for a better understanding of the plasticity of chromium and the other body-centered cubic metals was then extended to the study of a new mechanism explaining anomalous slip at low temperature observed experimentally, operating through a cooperative motion of multiple dislocations leading to their fast motion, reproduced by our atomistic simulations. We then looked at the properties of dislocations having a <100> Burgers vector, with close energy compared to 1/2<111> and observed in all these metals, to explain under which conditions they can participate to the plastic deformation, our atomistic simulations showing a locking of the multiplication mechanisms of these dislocations.
[fr]
L'objet de cette these est d'etudier la plasticite du chrome, envisage comme revetement des gaines combustibles en zirconium, et qui dans ces conditions doit etre capable de supporter la deformation qui lui est imposee sans se fracturer. Le chrome est l'un des sept metaux de transition purs a structure cubique centree, etant cependant l'unique d'entre eux ayant une structure magnetique proche de l'antiferromagnetisme a temperature inferieure a l'ambiante. A l'echelle atomique, la deformation plastique de ces metaux a basse temperature s'opere principalement par le mouvement des dislocations vis de vecteur de Burgers 1/2<111>, subissant une friction importante avec le reseau cristallin. Or, la plasticite du chrome souleve encore de nombreuses questions (types de dislocations, effet du magnetisme), et a ete l'objet de peu d'etude visant a caracteriser son comportement mecanique. En comparant le chrome aux autres metaux cubiques centres, cette etude a permis de conclure sur les similitudes et differences que celui-ci presente. A l'aide de calculs ab initio, les proprietes des dislocations vis 1/2<111> ont ete etudiees dans les deux phases non-magnetique et antiferromagnetique du chrome, de maniere a caracteriser l'influence du magnetisme sur sa plasticite a basse temperature. Cette etude a revele que la seule consequence du magnetisme est la generation de fautes magnetiques lorsque les dislocations cisaillent le cristal, puisque leur vecteur de Burgers ne respecte pas l'ordre magnetique du chrome a basse temperature. Ainsi, les dislocations 1/2<111> sont contraintes a se deplacer en trainant derriere elles une faute. Celle-ci a ensuite ete etudiee a temperature finie par simulations Monte Carlo couplees a un modele de Heisenberg developpe pour cette etude, mettant en evidence leur disparition a une temperature inferieure a la transition vers le desordre magnetique, proche de l'ambiante, laissant les dislocations libres de se deplacer sans trainer de faute. Le magnetisme n'a donc un impact sur la plasticite du chrome qu'a tres basse temperature, ou ces fautes existent. Tenant compte des proprietes atomiques des dislocations, ainsi que de leur mouvement thermiquement active par germination de doubles decrochements a l'aide d'un modele de tension de ligne, nous avons ensuite developpe une loi d'ecoulement plastique donnant la limite d'elasticite en fonction du chargement mecanique et de la temperature, jusqu'a la temperature athermale. Par le biais d'une etude systematique sur l'ensemble des metaux cubiques centres, pour lesquels une grande variete de donnees experimentales est disponible, les predictions du modele ont pu a la fois etre comparees a l'experience ainsi qu'entre metaux, de maniere a confirmer que le comportement plastique du chrome est semblable a l'ensemble de ces metaux. Cette approche systematique permettant a la fois de mieux comprendre la plasticite du chrome et des autres metaux cubiques centres s'est ensuite etendue a l'etude d'un nouveau mecanisme expliquant le glissement anomal a basse temperature observe experimentalement, s'operant par un mouvement cooperatif de plusieurs dislocations entrainant leur deplacement rapide, reproduit par nos simulations atomiques. Nous nous sommes enfin interesses aux proprietes de dislocations ayant un vecteur de Burgers <100>, d'energie proche des dislocations 1/2<111> et observees dans l'ensemble de ces metaux, afin d'expliquer dans quelles conditions celles-ci pourraient participer a la deformation plastique, nos simulations montrant un blocage des mecanismes de multiplication de ces dislocationsOriginal Title
Modelisation atomique de la plasticite du chrome et des autres metaux de transition cubiques centres
Primary Subject
Secondary Subject
Source
13 Jul 2022; 215 p; 289 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; Physique
Record Type
Report
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
Reference NumberReference Number
INIS VolumeINIS Volume
INIS IssueINIS Issue