Multiscale modeling of the radiation-induced segregation in Ni-based and Fe-based dilute alloys

Nous presentons une modelisation quantitative de la redistribution des defauts ponctuels (DPs) et de la segregation induite par irradiation (SII) sur les defauts etendus, dans des alliages modeles dilues Ni(B ≡ Ti, Cr) et Fe(B ≡ P, Mn, Cr, Si, Ni, Cu). Le changement de composition chimique au voisinage des defauts etendus joue un role decisif sur l’evolution de la microstructure et les proprietes mecaniques d’un materiau. L’irradiation genere des defauts ponctuels, qui diffusent en s’echangeant avec les atomes voisins, s’annihilent en se recombinant entre eux ou en interagissant avec des defauts etendus (qui agissent comme des puits de DPs). Les flux de DPs vers les puits induisent des flux atomiques dans le meme sens ou le sens oppose des flux de DPs, produisant ainsi la SII aux puits. Nous etendons la theorie de champ moyen auto-coherent aux deplacements atomiques forces (DAF), mecanismes de diffusion athermiques generes par une cascade de deplacements sous irradiation. L’implementation de nos developpements theoriques dans le code KineCluE, nous permet de calculer les flux de DPs et d’atomes, et leurs couplages. A partir du calcul des flux en fonction de la temperature, de la composition, et du champ de deformation ; et d’un traitement de type cinetique chimique des reactions de production et d’annihilation des DPs, nous obtenons les profils stationnaires de SII. Dans chacun des regimes cinetiques particuliers pour lequel, l’une des reactions des DPs domine par rapport aux autres, nous obtenons les expressions analytiques des profils stationnaires des DPs et solutes sur les puits planaires. Pour rendre compte de l’effet du champ de deformation genere par une dislocation coin sur la SII et sur les taux d’elimination des DPs sur la dislocation, nous resolvons numeriquement les equations d’elastodiffusion. A partir d’une base de donnees ab initio des energies de liaison, des dipoles elastiques, et des frequences d’echange atome-DP dans, nous realisons une etude systematique des effets de la microstructure et des conditions d’irradiation sur les proprietes de diffusion, les taux d’elimination des DPs aux puits, et la SII. Nous montrons que : (i) les boucles de dislocations sont enrichies en Ni dans Fe(Ni) et appauvries en Ti dans Ni(Ti), et les quantites segregees sont en bon accord avec les valeurs experimentales mesurees dans les alliages modeles Fe(Ni) et Ni(Ti) irradies aux ions ; (ii) a fort flux, basse temperature, et grande force de puits de la microstructure, les evenements DAF reduisent sensiblement la SII, tout particulierement dans les alliages base Ni ; (iii) les decalages en temperature calcules pour simuler les effets d’une irradiation aux neutrons par une irradiation aux ions, peuvent etre tres differents selon le phenomene induit par irradiation que l’on etudie, le regime cinetique dans lequel le systeme evolue, et la nature chimique de l’alliage etudie ; (iv) l’interaction entre les DPs et les atomes de solute modifie le facteur de biais d’absorption entre lacunes et interstitiels d’une dislocation coin. Ainsi l’ajout de Ni produit un biais negatif alors que l’ajout de Mn augmente le facteur de biais (jusqu’a 200% de la valeur dans Fe pur sous contrainte), suivant la temperature et la composition ; (v) la contrainte augmente significativement la quantite de la segregation de solute dans Fe(Ni) (par exemple, 400% de la valeur sans elasticite a 400K), et change le signe de la SII dans Fe(Cr).