Etude atomistique des carbures dans les aciers ferritiques modèles : stabilité, défauts et diffusion

Cette thèse est consacrée à l'étude atomistique de la cémentite mais aussi à d'autres carbures couramment rencontrés dans les acier Fe-Cr, en combinant des calculs de type théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), des simulations Monte-Carlo cinétique et des calculs en champ moyen auto-cohérent. L'objectif est de mieux comprendre les propriétés fondamentales gouvernant la stabilité des phases, la formation des défauts et la diffusion des éléments chimiques dans ces carbures, impactant le comportement mécanique des aciers modèles et industriels. Les propriétés de la cémentite stœchiométrique sont d'abord analysées puis celles de la cémentite non-stœchiométrique via l'étude des défauts de C. L'étude des défauts ponctuels inclus aussi les défauts de Fe, ainsi que les solutés Mn et Cr très présents dans les aciers bas carbone. Les résultats montrent que les défauts de C sont énergétiquement les plus favorables. L'évolution des paramètres de maille en fonction de la stœchiométrie en C est en bon accord avec les données expérimentales. Les calculs en état fondamental magnétique et paramagnétique permettent de connaître les défauts les plus favorables en fonction de l'état magnétique de la cémentite. Les défauts de fer apparaissent moins favorables, bien que les lacunes de Fe présentent des interactions attractives avec les défauts de C et les solutés métalliques. En accord avec de précédentes études, le Mn est favorable à la substitution et le Cr est très légèrement défavorable. La diffusion de différentes espèces chimiques dans la cémentite est ensuite étudiée, pour le Fe, Mn et Cr elle est principalement gouvernée par un mécanisme lacunaire. La diffusion du fer se fait plus rapidement dans la cémentite par rapport à la ferrite pour les températures inférieures à 400K, la situation s'inverse à plus haute température. La diffusion du carbone est quant à elle dominée par un mécanisme interstitiel. Un nouveau mécanisme basé sur les paires de Frenkel est introduit et prend en compte les interactions entre défauts, notamment le processus d'annihilation entre interstitiels et lacunes. Le modèle simplifié incluant les deux mécanismes donne des résultats analogues aux expériences de carburation. Cette approche permet d'améliorer notablement la description des mécanismes de diffusion du carbone, bien que des améliorations du modèle restent nécessaires pour une étude quantitative complète. Enfin, la stabilité énergétique des carbures M₃C, M₇C₃ et M₂₃C₆ (avec M = Fe, Cr) est étudiée. L'évolution de leur énergie de formation est analysée en fonction de la teneur en Cr et de l'état magnétique. Les résultats montrent une dépendance marquée à la composition, ainsi qu'une influence significative du magnétisme sur la stabilité relative des phases. La substitution du Cr dans les carbures est également analysée, mettant en évidence son lien avec les propriétés magnétiques des atomes métalliques. Une meilleure description en fonction de la température est nécessaire pour comparer nos résultats aux données CALPHAD et aux observations expérimentales. Finalement, la stabilité mécanique des trois carbures est aussi étudiées via le calcul des constantes élastiques en fonction de la teneur en Cr. L'ensemble de ces travaux apporte une compréhension approfondie des propriétés thermodynamiques et cinétiques principalement de la cémentite mais aussi des carbures M₇C₃ et M₂₃C₆ , très présents dans les acier Fe-Cr. Ces résultats constitueront une base de première importance pour, non seulement alimenter les bases de données CALPHAD et DICTRA, mais aussi aborder l'impact sur le comportement mécanique via par exemple des simulations aux éléments finis.