Atomic-scale study of low-temperature equilibria in iron-rich Al-C-Fe

The capability of the thermodynamic approach based on the independent point defect approximation to describe low-temperature phase equilibria is investigated and applied to the Al-C-Fe system. The method gives a reasonable description of the multicomponent and multisublattice Fe-rich corner and evidences numerous peculiarities concerning the ordered phases as well as the density-functional-theory (DFT) energy models. The study of Fe3Al(-C), revealing strong defect-induced instabilities, rules out the LDA, SLDA and GGA schemes and leaves (spin-polarized) SGGA as the only valid one. C stabilizes L12 Fe3Al with respect to D03, which justifies the fcc-type structure of the kappa Fe3AlC compound. The present work also helps in justifying the experimentally observed depletion of C in the kappa phase. Finally, a correct description of both Fe3C and kappa requires inclusion of interstitial carbon at low temperature, emphasizing the unexpected importance of interstitial defects in ordered phases

Influence of the austenitic stainless steel microstructure on the void swelling under ion irradiation

International audienceTo understand the role of different metallurgical parameters on the void formation mechanisms, various austenitic stainless steels were elaborated and irradiated with heavy ions. Two alloys, in several metallurgical conditions (15Cr/15Ni–Ti and 15Cr/25Ni–Ti), were irradiated in the JANNUS-Saclay facility at 600 °C with 2 MeV Fe$^{2+}$ ions up to 150 dpa. Resulting microstructures were observed by Transmission Electron Microscopy (TEM). Different effects on void swelling are highlighted. Only the pre-aged samples, which were consequently solute and especially titanium depleted, show cavities. The nickel-enriched matrix shows more voids with a smaller size. Finally, the presence of nano-precipitates combined with a dense dislocation network decreases strongly the number of cavities

Recent Advances in Point Defect Studies Driven by Density Functional Theory

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Zirconium modélisation ab initio de la diffusion des défauts ponctuels

Le Zirconium, sous forme d alliage, est l élément principal du gainage combustible des réacteurs nucléaires à eau pressurisée. Sous irradiation, les gaines s allongent de manière significative, phénomène attribué à la croissance de boucles de dislocations lacunaires dans les plans de base de la structure hexagonale compacte. La compréhension des mécanismes à l échelle atomique à l origine de ce processus à motivé ce travail. Par le biais de la modélisation atomique ab initio nous avons étudié la structure et la mobilité des défauts ponctuels dans le Zirconium. Nous avons ainsi constaté que quatre défauts interstitiels possèdent des énergies de formation très proches, dans une fourchette de 0,11 eV. L étude des chemins de migration nous a permis de dégager des énergies d activation des sauts premiers voisins, utilisées comme paramètres d entrée pour un code Monte Carlo cinétique. Ce code a été développé pour calculer le coefficient de diffusion du défaut interstitiel. Nos résultats conduisent à une migration deux fois plus rapide parallèlement aux plans de base que parallèlement à l axe c, avec une énergie d activation de 0,08 eV, indépendante de la direction. Le coefficient de diffusion de la lacune, estimé en utilisant un modèle à deux sauts, est également anisotrope, avec un processus plus rapide dans les plans de base que perpendiculairement à ceux-ci. L'influence de l'hydrogène sur la germination des boucles de dislocations lacunaires a été étudiée suite à l'observation expérimentale d'une accélération de la croissance des gaines en présence de cet élément.Zirconium is the main element of the cladding found in pressurized water reactors, under an alloy form. Under irradiation, the cladding elongate significantly, phenomena attributed to the vacancy dislocation loops growth in the basal planes of the hexagonal compact structure. The understanding of the atomic scale mechanisms originating this process motivated this work. Using the ab initio atomic modeling technique we studied the structure and mobility of point defects in Zirconium. This led us to find four interstitial point defects with formation energies in an interval of 0.11 eV. The migration paths study allowed the discovery of activation energies, used as entry parameters for a kinetic Monte Carlo code. This code was developed for calculating the diffusion coefficient of the interstitial point defect. Our results suggest a migration parallel to the basal plane twice as fast as one parallel to the c direction, with an activation energy of 0.08 eV, independent of the direction. The vacancy diffusion coefficient, estimated with a two-jump model, is also anisotropic, with a faster process in the basal planes than perpendicular to them. Hydrogen influence on the vacancy dislocation loops nucleation was also studied, due to recent experimental observations of cladding growth acceleration in the presence of this element.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Identification d'une nouvelle phase d'hydrure de zirconium et modélisation à l'échelle mésoscopique de sa précipitation

Le combustible des réacteurs à eau sous pression (REP) est confiné par une première barrière appelée gaine combustible constituée d'alliages de zirconium. A ce jour, la plupart des gaines combustibles sont fabriquées en Zircaloy-4. En service, les tubes de gainages absorbent une fraction de l'hydrogène dégagée par la réaction de corrosion du métal. De nombreuses études ont démontré le caractère fragilisant des hydrures vis à-vis des propriétés mécaniques des tubes de gainage. Afin de garantir leur intégrité lors du maintien en service mais également une fois hors service (phases de transport et d'entreposage), il est nécessaire de pouvoir prédire le comportement des alliages de zirconium hydrurés en fonction de l'environnement dans lequel ils se trouvent (changements brusques de température, application d'une contrainte ... ). A ce jour il n'existe pas de modèle de précipitation permettant de rendre compte de la microstructure observée en présence d'une contrainte externe. Dans l'objectif de pallier au moins partiellement ce manque, une étude de caractérisation des hydrures a été menée en utilisant les techniques de la Microscopie Electronique en Transmission (MET). Elle a conduit à l'identification d'une nouvelle phase d'hydrure appelée <. A l'issue du travail de caractérisation, une modélisation de la précipitation de cet hydrure à l'échelle mésoscopique a été menée en utilisant un modèle de champ de phases développé au cours de ce travail.Ln pile, zirconium alloys in contact with the primary medium are submitted to hydrogen absorption that has significant consequences on their thermodynamic, mechanical and corrosion behaviors. Therefore, hydrogen in solid solution or hydrides precipitation can affect Zirconium alloys behaviors during service but also in long term storage and in accidental conditions. For both fundamentals aspects and safety reasons it is important te understand the precipitation process and to predict the influence various parameters like temperature, stresses, cooling rates and microstructure may have. Numerical modeling at the mesoscopic scale is an appealing approach to describe the precipitation and the "phase field" method appears to be particularly weil suited. The achievement of a realistic mesoscopic modeling should take into account an accurate kinetic, thermodynamic and structural data base in order to properly describe hydride nucleation, growth and coalescence as weil as hydride interaction with externat stresses. Such a data base relies on experimental data that are not always available; this is the reason why an accu rate structural characterization was performed. Therefore transmission electron microscopy observations were carried out on Zircaloy 4 specimens with various H contents. From this study, a new hydride phase called <, coherent with the matrix, was identified.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Simulations atomiques ab initio des effets de l'hydrogène et de l'iode dans le zirconium

LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Influence of complex point defects in ordered alloys: An ab initio study of B2 Fe-Al-B

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Hexagonal-based ordered phases in H-Zr

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Influence of bulk composition on grain boundary segregation in B 2 F e − A l : An atomic-scale simulation study

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