Étude des propriétés de diffusion des défauts ponctuels dans les alliages à haute entropie à l’aide de la technique d’activation-relaxation cinétique

Les alliages à haute entropie forment une nouvelle classe de matériaux découverts récemment et démontrant des propriétés physiques et mécaniques très prometteuses. Ces solutions solides à phase unique présentent une grande dureté, une haute résistance à la corrosion, une bonne résistance aux dommages causés par l’irradiation ionique et une phase stable même à température élevée. Pour ces raisons, ils ont attiré l’attention pour plusieurs utilisations potentielles, notamment dans la prochaine génération de réacteurs nucléaires. Dans ce mémoire, nous étudierons la diffusion de défauts ponctuels dans l’alliage de 55Fe-28Ni-17Cr. Ces défauts sont très fréquemment créés par l’irradiation par ion ayant lieu dans les cuves des réacteurs nucléaires. Nous profiterons de l’occasion d’étudier un alliage ayant une microstructure complexe afin d’introduire et de tester une méthode du calcul du taux de transition global et local se basant sur le calcul du facteur pré-exponentiel de la théorie de l’état de transition harmonique (hTST). Ces méthodes sont implantées dans la technique d’activation-relaxation cinétique, une méthode de Monte Carlo cinétique, que nous utiliserons pour réaliser la diffusion de défauts ponctuels dans l’alliage. Nous démontrons une différence importante entre le taux de transition calculé avec et sans hTST qui peut mener à une erreur dans les propriétés calculées de diffusion des défauts. Nous démontrons également que le facteur pré-exponentiel obéit à une anti-loi de compensation de Meyer-Neldel. Le calcul local du facteur pré-exponentiel est étudié et nous démontrons qu’il est capable de reproduire le taux global pour plusieurs événements. High-entropy alloys are a novel class of materials discovered recently and demonstrating promising physical and mechanical properties. These single-phase solid solutions present a high hardness, a great resistance to corrosion, a good resistance to ion radiation damages and a stable phase even at high temperature. For these reasons they have attracted the attention for numerous potential uses, notably in the next generation of nuclear reactors. In this thesis, we study the diffusion of point defects in the 55Fe-28Ni-17Cr alloy. This kind of defect being very frequently created by irradiation in nuclear reactors. We will also use the occasion of having an alloy with a complex microstructure to add and test a method of computing the transition rate globally and locally based on the computation of the prefactor of the harmonic Transition State Theory (hTST). These additions will be made in the kinetic Activation-Relaxation Technique, a kinetic Monte Carlo method that will be used to study the diffusion of point defects in the alloy. We demonstrate that there is an important discrepancy between the rate computed with and without the hTST that can lead to an error in the computed diffusion properties of defects. We also show that the prefactor obeys an anti Meyer-Neldel compensation law. The local method to compute the prefactor is then studied and proven to be able to reproduce the global rate for a large number of events.

Keyphrases: Alliage à haute entropie, Diffusion, Défauts, Monte-Carlo cinétique, Théorie de l'état de transition, Préfacteur, Diffusion, Diffusion, High-entropy alloy, Diffusion, Defects, Kinetic Monte-Carlo, Transition State Theory, Prefactor