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Fiche détaillée Thèses
Université Paris Sud - Paris XI (26/11/2010), Michèle Gupta (Dir.)
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Démixtion et ségrégation superficielle dans les alliages fer-chrome : de la structure électronique aux modèles thermodynamiques
Maximilien Levesque1, 2, 3, 4

Les aciers ferritiques éventuellement renforcés par dispersion d'oxydes sont envisagés comme matériaux de structure pour les réacteurs nucléaires de génération IV et de fusion. Leur utilisation est cependant limitée par une connaissance incomplète du diagramme de phases de l'alliage fer-chrome aux températures d'intérêt technologique et des phénomènes induisant la ségrégation préférentielle de l'un des éléments aux joints de grains ou en surface. Dans ce contexte, ce travail de thèse apporte une contribution à l'étude multi-échelle de l'alliage modèle binaire fer-chrome et de ses surfaces libres par simulations numériques. Nous commençons cette étude par des calculs ab initio de propriétés liées au mélange d'atomes de fer et de chrome. Nous mettons en évidence une physique complexe contrôlée par les interactions entre les moments magnétiques et l'environnement chimique local des atomes de chrome. Les propriétés surfaciques se révèlent également sensibles à l'effet du magnétisme atomique. C'est le cas par exemple de la ségrégation d'impuretés de chrome dans le fer ou de leur interaction à proximité de la surface. Dans un deuxième temps, nous construisons un modèle énergétique d'interactions de paires sur réseau rigide. Une dépendance des interactions en composition locale et en température permet de reproduire les résultats ab initio à température nulle et les résultats expérimentaux à haute température tout en restant efficace numériquement. Grâce à ce modèle, nous déduisons les limites de solubilité du chrome dans le fer-α à toutes températures par des simulations de Monte Carlo et un traitement statistique de champ moyen. La dernière étape de notre étude consiste à introduire les surfaces libres dans notre modèle énergétique. On étudie alors l'effet sur la ségrégation des différentes propriétés volumiques et surfaciques mises en évidence par les calculs ab initio. Enfin, nous calculons des isothermes de ségrégation. Nous proposons ainsi un modèle d'évolution de la composition des surfaces de l'alliage fer-chrome en fonction de sa composition en volume.
1 :  SRMP - Service de recherches de métallurgie physique
2 :  ENS Paris - Ecole Normale Supérieure de Paris
3 :  CMTR - Chimie métallurgique des terres rares
4 :  EDF R&D
fer – chrome – alliages – magnétisme – solution – solide – binaire – frustré – modélisation – calcul – DFT

Iron-chromium alloys and free surfaces: from ab initio calculations to thermodynamic modeling.
Ferritic steels possibly strengthened by oxide dispersion are candidates as structural materials for generation IV and fusion nuclear reactors. Their use is limited by incomplete knowledge of the iron-chromium phase diagram at low temperatures and of the phenomena inducing preferential segregation of one element at grain boundaries or at surfaces. In this context, this work contributes to the multi-scale study of the model iron-chromium alloy and their free surfaces by numerical simulations. This study begins with ab initio calculations of properties related to the mixture of atoms of iron and chromium. We highlight complex dependency of the magnetic moments of the chromium atoms on their local chemical environment. Surface properties are also proving sensitive to magnetism. This is the case of impurity segregation of chromium in iron and of their interactions near the surface. In a second step, we construct a simple energy model for high numerical efficiency. It is based on pair interactions on a rigid lattice to which are given local chemical environment and temperature dependencies. With this model, we reproduce the ab initio results at zero temperature and experimental results at high temperature. We also deduce the solubility limits at all intermediate temperatures with mean field approximations that we compare to Monte Carlo simulations. The last step of our work is to introduce free surfaces in our model. We then study the effect of ab initio calculated bulk and surface properties on surface segregation. Finally, we calculate segregation isotherms. We therefore propose an evolution model of surface composition of iron-chromium alloys as a function of bulk composition.