Dans le contexte actuel de prolongation de la durée de fonctionnement des centrales nucléaires actuelles, un important programme de surveillance des matériaux de structure est en place. Il est primordial pour contrôler le vieillissement des matériaux et garantir leurs propriétés mécaniques. Lors du fonctionnement de la centrale, les matériaux sont soumis à une irradiation. Lors de cette sollicitation, la structure interne des matériaux évolue et de nombreux défauts sont créés, ce qui dégrade les propriétés macroscopiques et peut conduire à une limitation de la durée de vie des pièces. Le travail proposé est une étude fondamentale menée sur des matériaux modèles, dans le but d'approfondir notre compréhension du comportement sous irradiation des alliages métalliques. Il permettra d’alimenter la modélisation multi-échelle des matériaux, couvrant les défauts créés à l'échelle nanométrique jusqu'au niveau des composants nucléaires.
L’irradiation des matériaux avec des particules de haute énergie comme les neutrons, les ions ou les électrons génère un grand nombre de défauts appelés défauts ponctuels (DP). Ces DP, mobiles, peuvent migrer et s’agglomérer sous forme d’amas pour former des objets bidimensionnels comme des boucles prismatiques ou tridimensionnels comme des cavités. Ils peuvent également être éliminés au niveau de puits de DP. Le système est alors le siège de flux de DP orientés en direction de ces puits. Ces flux sont à l’origine de phénomènes de précipitation ou de ségrégation d’atomes de soluté [1] [2]. La présence de DP agglomérés et de flux de DP modifie la microstructure et peut détériorer les propriétés physiques des matériaux irradiés. En particulier, la formation de boucles prismatiques dégrade les propriétés mécaniques des matériaux car elles peuvent ralentir les dislocations et générer de la fragilisation [3]. Dans une étude précédente, nous nous étions intéressés aux défauts lacunaires sous forme de cavités et avions étudié le facettage de défauts formés dans un métal faiblement anisotrope, l’aluminium, grâce à des irradiations in-situ dans un microscope électronique en transition (MET) à haute résolution (MET-HR).
Le travail proposé a pour ambition d’aller plus loin dans l’étude de l’impact des champs de déformation élastiques sur les morphologies des défauts d’irradiation. Plus précisément, il a pour objectif de réaliser une étude systématique sur différents métaux présentant des coefficients d’anisotropie différents. Nous avons choisi des métaux de référence de structure cubique centrée (CC) comme le fer ou le chrome et cubique à faces centrées (CFC) comme l’aluminium ou le cuivre présentant des coefficients d’anisotropie faibles ou élevés et pourra être étendue à des alliages de complexité supérieure comme les alliages à haute entropie (HEA).
Le travail sera principalement expérimental. Les métaux étudiés sont des monocristaux présentant la même orientation [100] pour s’affranchir de l’effet des surfaces sur la forme des objets formés. Ils seront irradiés aux ions lourds à des températures normalisées par rapport à leur température de fusion soit in-situ dans la plateforme Jannus Orsay, soit ex-situ dans la plateforme Jannus du CEA de Saclay [6]. Les boucles seront imagées par MET conventionnel ou STEM avec des microscopes de type FEI Tecnai et Jeol NeoARM. Ce dernier est un appareil de toute dernière génération, équipé d’un double correcteur d’aberration de sphéricité. Le travail sera réalisé dans le cadre du laboratoire de recherche commun (LRC) MAXIT regroupant notamment le SRMP et le LEM (CNRS/ONERA).
Le travail comportera également un volet numérique. Les effets d’anisotropie cristalline sur la morphologie des boucles prismatiques seront étudiés par l'utilisation d'un code de champ de phases [4]. L’arrangement spatial des boucles sera étudié en Monte-Carlo sur objet (OKMC) [5], comme cela a été fait récemment dans l’aluminium. Dans le cadre du stage, un seul de ces axes numériques sera abordé.

Le travail est réalisé à la suite d’un travail post-doctoral de 2 ans qui s’achèvera en décembre 2023 et qui a permis de développer des approches de type intelligence artificielle (IA) pour accélérer la détection automatique des défauts créés sous irradiation [7]. L’utilisation de ces approches permettra d’améliorer significativement la statistique et la précision des résultats.

Avantage pour l’étudiant: Le stagiaire évoluera dans un laboratoire constitué de 25 chercheurs et d’environ 25 étudiants chercheurs (doctorants, post-doctorants ou stagiaires) où une règne une forte émulation scientifique. Les activités sont à la fois expérimentales et de simulation. Il aura donc l’occasion d’interagir avec des personnes compétentes dans son sujet.

[1] M. Nastar, L. T. Belkacemi, E. Meslin, et M. Loyer-Prost, « Thermodynamic model for lattice point defect-mediated semi-coherent precipitation in alloys », Communications Materials, vol. 2, no 1, p. 1-11, mars 2021, doi: 10.1038/s43246-021-00136-z.
[2] L. T. Belkacemi, E. Meslin, B. Décamps, B. Radiguet, et J. Henry, « Radiation-induced bcc-fcc phase transformation in a Fe3%Ni alloy », Acta Materialia, vol. 161, p. 61-72, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.08.031.
[3] M. Lambrecht et al., « On the correlation between irradiation-induced microstructural features and the hardening of reactor pressure vessel steels », Journal of Nuclear Materials, vol. 406, no 1, p. 84-89, 2010, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2010.05.020.
[4] A. Ruffini, Y. Le Bouar, et A. Finel, « Three-dimensional phase-field model of dislocations for a heterogeneous face-centered cubic crystal », Journal of the Mechanics and Physics of Solids, vol. 105, p. 95-115, août 2017, doi: 10.1016/j.jmps.2017.04.008.
[5] D. Carpentier, T. Jourdan, Y. Le Bouar, et M.-C. Marinica, « Effect of saddle point anisotropy of point defects on their absorption by dislocations and cavities », Acta Materialia, vol. 136, p. 323-334, sept. 2017, doi: 10.1016/j.actamat.2017.07.013.
[6] A. Gentils et C. Cabet, « Investigating radiation damage in nuclear energy materials using JANNuS multiple ion beams », Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, vol. 447, p. 107-112, mai 2019, doi: 10.1016/j.nimb.2019.03.039.
[7] T. Bilyk, A. M. Goryaeva, E. Meslin, M.-C. Marinica, Quantification of radiation damage in high entropy alloys by deep learning approach, 2-7/10/2022, MMM2022, Baltimore, USA

Une modélisation précise des alliages magnétiques nécessite une description correcte des effets thermiques, tels que les vibrations du réseau, l’expansion thermique ainsi que les excitations et transitions magnétiques. Tous ces multiples effets sont corrélés les uns aux autres avec un impact important sur la stabilité des phases chimiques mais également sur de nombreux processus cinétiques. Un traitement approprié des différents degrés de liberté impliqués et de leur couplage est à l’heure actuelle un défi majeur pour la modélisation et les simulations à l’échelle atomique, en particulier pour la dépendance à la température et à la composition de l’alliage.

Dans cette thèse, nous chercherons à développer et à mettre en place une approche de modélisation de type multi-échelle pour prédire les propriétés thermodynamiques et cinétiques des alliages métalliques magnétiques en fonction de la température. Nous nous concentrerons sur les alliages à base de fer en tant que système de référence. Les propriétés visées comprennent les limites de phase chimiques et magnétiques, les concentrations de défauts ponctuels, les coefficients de diffusion atomique et la cinétique de précipitation.

Pour mener à bien cet objectif, nous effectuerons des calculs ab-initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), des modèles de type liaisons fortes (TB) et d’interaction effective (EIM) ainsi que des simulations Monte Carlo. En plus de l'avancée méthodologique, les résultats de la thèse seront également très prometteurs au point de vue de la science des matériaux, en raison des multiples applications technologiques de ces alliages de fer, par exemple comme base des aciers.