Atomic scale modeling of plasticity in chromium and other body-centered cubic transition metals

Modélisation atomique de la plasticité du chrome et des autres métaux de transition cubiques centrés L'objet de cette thèse est d'étudier la plasticité du chrome, envisagé comme revêtement des gaines combustibles en zirconium, et qui dans ces conditions doit être capable de supporter la déformation qui lui est imposée sans se fracturer. Le chrome est l'un des sept métaux de transition purs à structure cubique centrée, étant cependant l'unique d'entre eux ayant une structure magnétique proche de l'antiferromagnétisme à température inférieure à l'ambiante. A l'échelle atomique, la déformation plastique de ces métaux à basse température s'opère principalement par le mouvement des dislocations vis de vecteur de Burgers ½<111>, subissant une friction importante avec le réseau cristallin. Or, la plasticité du chrome soulève encore de nombreuses questions (types de dislocations, effet du magnétisme), et a été l'objet de peu d'étude visant à caractériser son comportement mécanique. En comparant le chrome aux autres métaux cubiques centrés, cette étude a permis de conclure sur les similitudes et différences que celui-ci présente.A l'aide de calculs ab initio, les propriétés des dislocations vis ½<111> ont été étudiées dans les deux phases non-magnétique et antiferromagnétique du chrome, de manière à caractériser l'influence du magnétisme sur sa plasticité à basse température. Cette étude a révélé que la seule conséquence du magnétisme est la génération de fautes magnétiques lorsque les dislocations cisaillent le cristal, puisque leur vecteur de Burgers ne respecte pas l'ordre magnétique du chrome à basse température. Ainsi, les dislocations ½<111> sont contraintes à se déplacer en traînant derrière elles une faute. Celle-ci a ensuite été étudiée à température finie par simulations Monte Carlo couplées à un modèle de Heisenberg développé pour cette étude, mettant en évidence leur disparition à une température inférieure à la transition vers le désordre magnétique, proche de l'ambiante, laissant les dislocations libres de se déplacer sans traîner de faute. Le magnétisme n'a donc un impact sur la plasticité du chrome qu'à très basse température, où ces fautes existent.Tenant compte des propriétés atomiques des dislocations, ainsi que de leur mouvement thermiquement activé par germination de doubles décrochements à l'aide d'un modèle de tension de ligne, nous avons ensuite développé une loi d'écoulement plastique donnant la limite d'élasticité en fonction du chargement mécanique et de la température, jusqu'à la température athermale. Par le biais d'une étude systématique sur l'ensemble des métaux cubiques centrés, pour lesquels une grande variété de données expérimentales est disponible, les prédictions du modèle ont pu à la fois être comparées à l'expérience ainsi qu'entre métaux, de manière à confirmer que le comportement plastique du chrome est semblable à l'ensemble de ces métaux. Cette approche systématique permettant à la fois de mieux comprendre la plasticité du chrome et des autres métaux cubiques centrés s'est ensuite étendue à l'étude d'un nouveau mécanisme expliquant le glissement anomal à basse température observé expérimentalement, s'opérant par un mouvement coopératif de plusieurs dislocations entraînant leur déplacement rapide, reproduit par nos simulations atomiques. Nous nous sommes enfin intéressés aux propriétés de dislocations ayant un vecteur de Burgers <100>, d'énergie proche des dislocations ½<111> et observées dans l'ensemble de ces métaux, afin d'expliquer dans quelles conditions celles-ci pourraient participer à la déformation plastique, nos simulations montrant un blocage des mécanismes de multiplication de ces dislocations.