Modélisation atomistique du glissement et de l’ancrage des dislocations dans les aciers ferritiques Fe-C

Les aciers ferritiques, constitués d’une matrice de fer cubique centré (CC) avec des solutés de carbone interstitiels, sont des matériaux de structure largement utilisés. Pourtant, les mécanismes qui contrôlent leur plasticité à l’échelle atomique ne sont encore que partiellement compris. A basse température, la déformation plastique des métaux CC est contrôlée par la mobilité des dislocations vis, qui est limitée à la fois par une forte résistance du réseau lui-même, et par la présence d’autres défauts cristallins, dont notamment les atomes de soluté. Les modèles de mobilité des dislocations à l’échelle atomique basés sur la théorie de l’état de transition (TET) fournissent un cadre pour modéliser la déformation plastique des métaux purs et de leurs alliages.

Cependant, les approximations couramment utilisées pour appliquer ces modèles (approximation harmonique, entropie d’activation constante) donnent de médiocres résultats dans le fer. Nous avons calculé l’enthalpie libre d’activation pour la nucléation de paires de crans grâce à la récente méthode projected average force integrator, qui permet de prendre en compte les effets anharmoniques. Les données indiquent que le régime harmonique est limité à des températures très basses, inférieures à 20 K. Les non-linéarités restent faibles en dessous de 100 K, permettant de calculer une entropie d’activation effective, qui augmente lorsque l’enthalpie d’activation diminue, ce qui correspond à un comportement Meyer-Neldel inverse. L’intégration de ces effets dans les modèles de mobilité des dislocations améliore considérablement l’accord avec les simulations de dynamique moléculaire (DM). L’application de ces approches aux alliages Fe-C demeure limitée par le réalisme des potentiels interatomiques disponibles pour ce système. Pour résoudre ce problème, nous avons combiné deux potentiels empiriques existants pour Fe et Fe-C afin de reproduire à la foisle mécanisme de Peierls et la reconstruction des coeurs de dislocation vis en présence de carbone mise en évidence par des calculs ab initio. Des simulations de DM du glissement d’une dislocation vis dans une solution solide aléatoire utilisant ce potentiel confirment un fort durcissement, causé par des processus complexes d’interaction à courte distance entre dislocation et solutés. Nous avons également étudié une géométrie idéalisée où une dislocation vis interagit avec une rangée d’atomes de carbone. En combinant des simulations de DM et des méthodes de recherche de point-col, nous dévoilons un très fort ancrage lorsque la séparation des solutés est inférieure à environ 100 vecteurs de Burgers. Cet effet est dû à la nécessité de nucléer deux paires de cran consécutivement sur la dislocation, la deuxième paire ayant une enthalpie d’activation nettement augmentée. Nous avons développé un modèle de ce processus basé sur la TET harmonique, qui intègre également les effets entropiques observés dans le fer pur, en bon accord avec les simulations de DM menées jusqu’à 300 K. Ce travail fournit des processus et des paramètres élémentaires qui seront utiles pour des modèles à plus grande échelle et en particulier des simulations Monte Carlo cinétique.