Dissertations / Theses: 'Dislocation Dynamics Simulations'

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Liu, Bing [Verfasser]. "Discrete dislocation dynamics simulations of dislocation : low angle grain boundary interactions / Bing Liu." Aachen : Hochschulbibliothek der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, 2012. http://d-nb.info/1027743900/34.

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Wu, Han. "Dislocation Dynamics Simulations of Plasticity in Cu Thin Films." Thesis, University of North Texas, 2013. https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc500046/.

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Abstract:

Strong size effects in plastic deformation of thin films have been experimentally observed, indicating non-traditional deformation mechanisms. These observations require improved understanding of the behavior of dislocation in small size materials, as they are the primary plastic deformation carrier. Dislocation dynamics (DD) is a computational method that is capable of directly simulating the motion and interaction of dislocations in crystalline materials. This provides a convenient approach to study micro plasticity in thin films. While two-dimensional dislocation dynamics simulation in thin film proved that the size effect fits Hall-Petch equation very well, there are issues related to three-dimensional size effects. In this work, three-dimensional dislocation dynamics simulations are used to study model cooper thin film deformation. Grain boundary is modeled as impenetrable obstacle to dislocation motion in this work. Both tension and cyclic loadings are applied and a wide range of size and geometry of thin films are studied. The results not only compare well with experimentally observed size effects on thin film strength, but also provide many details on dislocation processes in thin films, which could greatly help formulate new mechanisms of dislocation-based plasticity.

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Jiang, Maoyuan. "Investigation of grain size and shape effects on crystal plasticity by dislocation dynamics simulations." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLC035/document.

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Abstract:

Des simulations de dynamique de dislocation (DD) sont utilisées pour l’étude de l'effet Hall-Petch (HP) et des contraintes internes à long-portée induites par les hétérogénéités de déformation dans les matériaux polycristallins.L'effet HP est reproduit avec succès grâce à des simulations de DD réalisées sur de simples agrégats polycristallins périodiques composés de 1 ou de 4 grains. De plus, l'influence de la forme des grains a été explorée en simulant des grains avec différents rapports d'aspect. Une loi généralisée de HP est proposée pour quantifier l'influence de la morphologie du grain en définissant une taille de grain effective. La valeur moyenne de la constante HP $K$ calculée avec différentes orientations cristallines à faible déformation est proche des valeurs expérimentales.Les dislocations stockées pendant la déformation sont principalement localisées à proximité des joints de grain et peuvent être traitées comme une distribution surfacique de dislocations. Nous avons utilisé des simulations DD pour calculer les contraintes associées aux parois de dislocations de différentes hauteurs, longueurs densités et caractères. Dans tous les cas, la contrainte est proportionnelle à la densité surfacique de dislocations géométriquement nécessaires (GNDs) et sa variation est capturée par un ensemble d'équations empiriques simples. Une prévision de contraintes à long-portée dans les grains est réalisée en sommant les contributions des GNDs accumulées de part et d’autre des joints de grains.L'augmentation de la contrainte interne liée au stockage de GNDs est linéaire avec la déformation plastique et est indépendante de la taille des grains. L'effet de taille observé dans les simulations de DD est attribué au seuil de déformation plastique, contrôlé par deux mécanismes concurrents : la contrainte critique de multiplication des sources et la contrainte critique de franchissement de la forêt. En raison de la localisation de la déformation dans les matériaux à gros grains, le modèle d’empilement des dislocations doit être utilisé pour prédire la contrainte critique dans ce cas. En superposant cette propriété aux analyses que nous avons fait à partir de simulations de DD dans le cas d'une déformation homogène, l'effet HP est justifié pour une large gamme de tailles de grains
Dislocation Dynamics (DD) simulations are used to investigate the Hall-Petch (HP) effect and back stresses induced by grain boundaries (GB) in polycrystalline materials.The HP effect is successfully reproduced with DD simulations in simple periodic polycrystalline aggregates composed of 1 or 4 grains. In addition, the influence of grain shape was explored by simulating grains with different aspect ratios. A generalized HP law is proposed to quantify the influence of the grain morphology by defining an effective grain size. The average value of the HP constant K calculated with different crystal orientations at low strain is close to the experimental values.The dislocations stored during deformation are mainly located at GB and can be dealt with as a surface distribution of Geometrically Necessary Dislocations (GNDs). We used DD simulations to compute the back stresses induced by finite dislocation walls of different height, width, density and character. In all cases, back stresses are found proportional to the surface density and their spatial variations can be captured using a set of simple empirical equations. The back stress calculation inside grains is achieved by adding the contributions of GNDs accumulated at each GB facet.These back stresses are found to increase linearly with plastic strain and are independent of the grain size. The observed size effect in DD simulations is attributed to the threshold of plastic deformation, controlled by two competing mechanisms: the activation of dislocation sources and forest strengthening. Due to strain localization in coarse-grained materials, the pile-up model is used to predict the critical stress. By superposing such property to the analysis we made from DD simulations in the case of homogeneous deformation, the HP effect is justified for a wide range of grain sizes

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Tschopp, Mark Allen. "Atomistic Simulations of Dislocation Nucleation in Single Crystals and Grain Boundaries." Diss., Georgia Institute of Technology, 2007. http://hdl.handle.net/1853/16239.

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Abstract:

The objective of this research is to use atomistic simulations to investigate dislocation nucleation from grain boundaries in face-centered cubic aluminum and copper. This research primarily focuses on asymmetric tilt grain boundaries and has three main components. First, this research uses molecular statics simulations of the structure and energy of these faceted, dissociated grain boundary structures to show that Σ3 asymmetric boundaries can be decomposed into the structural units of the Σ3 symmetric tilt grain boundaries, i.e., the coherent and incoherent twin boundaries. Moreover, the energy for all Σ3 asymmetric boundaries is predicted with only the energies of the Σ3 symmetric boundaries and the inclination angle. Understanding the structure of these boundaries provides insight into dislocation nucleation from these boundaries. Further work into the structure and energy of other low order Σ asymmetric boundaries and the spatial distribution of free volume within the grain boundaries also provides insight into dislocation nucleation mechanisms. Second, this research uses molecular dynamics deformation simulations with uniaxial tension applied perpendicular to these boundaries to show that the dislocation nucleation mechanisms in asymmetric boundaries are highly dependent on the faceted, dissociated structure. Grain boundary dislocation sources can act as perfect sources/sinks for dislocations or may violate this premise by increasing the dislocation content of the boundary during nucleation. Furthermore, simulations under uniaxial tension and uniaxial compression show that nucleation of the second partial dislocation in copper exhibits tension-compression asymmetry. Third, this research explores the development of models that incorporate the resolved stress components on the slip system of dislocation nucleation to predict the atomic stress required for dislocation nucleation from single crystals and grain boundaries. Single crystal simulations of homogeneous dislocation nucleation help define the role of lattice orientation on the nucleation stress for grain boundaries. The resolved stress normal to the slip plane on which the dislocation nucleates plays an integral role in the dislocation nucleation stress and related mechanisms. In summary, the synthesis of various aspects of this work has provided improved understanding of how the grain boundary character influences dislocation nucleation in bicrystals, with possible implications for nanocrystalline materials.

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Li, Yang. "Fragilisation des aciers de cuve irradiés : analyse numérique des mécanismes de plasticité à l’aide de simulations de dynamique des dislocations." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLN031/document.

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Abstract:

Ce travail est une contribution à l’étude de la dégradation des propriétés mécaniques des matériaux métalliques irradiés, dans le contexte de la production d’énergie nucléaire. Cette thèse porte en particulier sur l’étude du comportement des dislocations dans les matériaux ferritiques irradiés, à l’aide de simulations de dynamique des dislocations (DD).L’évolution de la microstructure des défauts d’irradiation est tout d’abord analysée à l'aide d’un code nodal (code NUMODIS). Le Chapitre 2 traite en particulier de la diffusion et l’interaction de boucles prismatiques, en utilisant la dynamique des dislocations dite «stochastique». Ces calculs reproduisent les forces d’interaction élastiques boucle/boucle et les forces stochastiques associées aux fluctuations thermiques ambiantes. Il est ainsi montré que la réorientation des boucles (tilt) a un fort effet sur leur dynamique, en ce qui concerne notamment le taux d’évolution du confinement élastique boucle/boucle.L'effet du glissement dévié sur l’interaction entre dislocation/boucle est ensuite examiné au Chapitre 3. Cette étude fait appel à une configuration initiale spécifique, associée à un changement du plan de glissement d'une source de dislocation vis. De cette manière, il est montré que le glissement dévié réduit considérablement la résistance des défauts/obstacles. Cet effet confirme le rôle critique du glissement dévié durant la déformation plastique post-irradiation.La déformation plastique post-irradiation est étudiée à l’échelle du grain, au Chapitre 4, à l’aide de simulations DD à base de segments (code TRIDIS). Ces simulations traitent les mécanismes de glissement dévié et de glissement thermiquement activé (vis). Chaque condition d’irradiation simulée peut être caractérisée par un «décalage de la température apparente induite par des défauts d’irradiation» (ΔDIAT). Cette quantité est proportionnelle aux évolutions statistiques de la mobilité effective des dislocations. Le ΔDIAT calculé est pratiquement équivalent au décalage de la température de transition fragile à ductile (ΔDBTT) obtenu expérimentalement, pour une taille et densité de défauts d’irradiation donnée. Cette corrélation ΔDIAT/ΔDBTT peut être interprétée à partir de mécanismes de déformation plastique élémentaires, faisant appel à la théorie des dislocations
The interplay between radiation-generated defects and dislocation networks leads to a variety of changes in mechanical properties and results in a detrimental effect on the structural reactor component lifetime. The present PhD work focuses on studying elementary and collective dislocation mechanisms in irradiated iron-based materials, by means of dislocation dynamics (DD) simulations.Evolutions of the radiation-induced defect microstructure are studied first. Namely, the 1D diffusion of interacting prismatic loops is analyzed using the stochastic dislocation dynamics approach, accounting for the elastic forces acting between the loops and the stochastic forces associated with ambient thermal fluctuations. It is found that the interplay between stochastic forces and internal degrees of freedom of loops, in particular the loop reorientation, strongly influences the observed loop dynamics, especially the reaction rates resulting in the elastic confinement of loops.The cross-slip effect on the dislocation/loop interactions is then examined using a specific initial configuration associated with the glide plane change of a screw dislocation source, due to a single and well defined cross-slip event. It is shown that cross-slip significantly affects the effective strength of dislocation/defect interactions and therefore, post-irradiation plastic strain spreading.Lastly, post-irradiation plastic strain spreading is investigated at the grain scale using segment-based dislocation dynamics simulations, accounting for the thermally activated (screw) dislocation slip and cross-slip mechanisms. It is shown that each simulated irradiation condition can be characterized by a specific “Defect-Induced Apparent Straining Temperature shift” (ΔDIAT) level, reflecting the statistical evolutions of the effective dislocation mobility. It is found that the calculated ΔDIAT level closely matches the ductile to brittle transition temperature shift (ΔDBTT) associated with the corresponding, experimentally-observed defect size and number density. This ΔDIAT/ΔDBTT correlation can be explained based on plastic strain spreading arguments

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Shi, Xiangjun. "Etude par simulations de dynamique des dislocations des effets d'irradiation sur la ferrite à haute température." Thesis, Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066500/document.

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Abstract:

Cette étude s’insère dans le cadre d’une modélisation multi-échelles du durcissement et de la fragilisation par irradiation de l’acier de cuve des Réacteurs nucléaires à Eau Pressurisée (REP). Des simulations en Dynamique des Dislocations (DD) ont été menées pour décrire la plasticité du fer pur irradié à l’échelle du grain et fournir aux échelles supérieures des informations quantitatives telles que la force d’épinglage des dislocations par les boucles induites par l’irradiation. Nous avons débuté notre étude par l’analyse des interactions élémentaires entre une dislocation coin et différents types de boucles. Un nouveau modèle de DD a été identifié puis validé, que ce soit d’un point de vue qualitatif (mécanismes d’interaction) ou quantitatif (contrainte critique), en comparant ces résultats à ceux obtenus en Dynamique Moléculaire dans la littérature. L’influence de la taille des boucles et de la vitesse de déformation a été particulièrement étudiée.Des simulations élémentaires impliquant cette fois-ci une dislocation vis et les mêmes défauts d’irradiation ont permis d’étendre le domaine de validité du modèle de DD, en se comparant toujours aux résultats de DM de la littérature. Enfin, un premier jeu de simulations massives entre une dislocation coin et différents types de boucles a permis d’obtenir une première estimation de la valeur de la force d’obstacle pour ce type de défauts, α≈0,26. Cette valeur est en accord avec différents travaux précédents, expérimentaux ou numériques, et permet d’envisager avec confiance de futurs travaux s’appuyant sur ce nouveau modèle de DD
This study is a contribution to the multi-scale modeling of hardening and embrittlement of the vessel steel in Pressurized Water Reactors (PWR) under irradiation conditions. Dislocation Dynamics simulations (DD) were conducted to describe the plasticity of irradiated iron at grain scale. Quantitative information about the pinning strength of radiation-induced loops was extracted and can be transferred at crystal plasticity scale. Elementary interactions between an edge dislocation and different types of loops were first analyzed. A new model of DD was identified and validated, both qualitatively in terms of interaction mechanisms and quantitatively in terms of critical stress, using Molecular Dynamics results available in the literature. The influence of the size of the loops and of the strain rate was particularly studied. Elementary simulations involving a screw dislocation and the same radiation-induced defects were conducted and carefully compared to available MD results, extending the range of validity of our model. Finally, a set of massive simulations involving an edge dislocation and a large number of loops was performed and allowed a first estimation of the obstacle strength for this type of defects (α≈0.26). This value is in a good agreement with previous experimental and numerical studies, and gives us confidence in future work based on this new DD model

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Guduguntla, Varun. "Effects of Thermostats in Molecular Dynamics Simulations of Nanoindentation." University of Cincinnati / OhioLINK, 2019. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=ucin1573573614853041.

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Shukeir, Malik. "Modeling of irradiation effect on the plasticity of alpha-Iron using dislocation dynamics simulations : plasticity through multi-scale modeling." Electronic Thesis or Diss., Sorbonne université, 2019. http://www.theses.fr/2019SORUS363.

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Abstract:

Ce travail vise à reproduire les interactions individuelles entre les dislocations vis et les boucles induites par l'irradiation en utilisant les simulations de dynamique des dislocations en accord avec les simulations de dynamique moléculaire. Un tel accord se caractérise par la reproduction de la réaction et avoir un valeur des contraintes critiques résolues pour franchir les obstacles. Cette approche fournit le moyen de calibrer notre code de dynamique des dislocations avec les paramètres des simulations de dynamique moléculaire. Par conséquent, il permet d'effectuer des simulations massives à l'échelle mésoscopique. Dans ce cadre, ce travail se compose de deux parties, une identification du modèle énergétique et une identification des mécanismes élémentaires. Dans la première partie, nous proposons une procédure de calibrage de la tension ligne basée sur le mécanisme d'Orowan en utilisant une étude de sensibilité. Dans la deuxième partie, nous avons identifié les mécanismes de glissement dévié et le maclage/antimaclage comme étant essentiels pour reproduire les interactions individuelles de dislocation-boucle. Les simulations de la dynamique des dislocations sont réalisées à l'aide d'un code nodal 3D appelé NUMODIS, où les développements récents dans ce code sont présentés. Un des caractéristiques de ce code est sa capacité à gérer et contrôler les collisions entre les segments des dislocations. Cela se fait au moyen en utilisant un ensemble d'algorithmes génériques avec un minimum de règles locales
This work aims to reproduce the individual interactions between screw dislocations and radiation-induced loops using dislocation dynamics in good agreement with molecular dynamics simulations. Such agreement is characterized by reproducing the dynamics of the reaction and obtaining the critical resolved stress to overcome the obstacles. This approach provides the mean to calibrate our dislocation dynamics code with parameters from the molecular dynamics simulations. Consequently, it permits to perform massive simulations at the mesoscopic scale. In this scope, this work consists of two parts, an identification of the energetic model and identification of elementary mechanisms. In the first part we propose a procedure to calibrate the line tension based on Orowan's mechanism using a sensibility study. In the second part, we have identified the cross-slip and twining/anti-twinning mechanisms to be essential to reproduce the individual dislocation-loop interactions. The dislocation dynamics simulations are done using a 3D nodal code called NUMODIS, where the recent developments in this code are presented. The uniqueness of this code is its ability to manage and control collisions and core reactions between dislocation segments. This is done through a set of generic algorithms with the minimum amount of local rules

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Jover, Carrasco Elena. "Simulations 3D des interactions entre fissure et dislocations." Thesis, Université Grenoble Alpes, 2022. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-03689315.

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Abstract:

La ténacité à la rupture est contrôlée non seulement par les paramètres macroscopiques mais aussi par la microstructure. Les défauts de la structure cristalline comme les lacunes, les inclusions ou les dislocations peuvent aussi grandement impacter la ténacité. Pour mieux comprendre ce phénomène, on mènera des simulations 3D d'un front de fissure interagissant avec des dislocations. Ces simulations visent à mesurer les variations des facteurs d'intensité des contraintes sur le front de fissure créées par la présence de dislocations. Pour cela, on combinera deux modèles préexistants : la méthode des éléments finis étendus (XFEM) et la dynamique des dislocations discrètes (DDD). XFEM est une évolution de la méthode des éléments fini qui permet l'étude d'une fissure qui se propage sans avoir besoin de remaillage, elle contrôlera le volume étudié, le chargement appliqué et la position de la fissure tandis que tant que la DDD contrôlera les dislocations, leur mouvement et leur multiplication. La précision du modèle crée sera testée en le comparant avec des résultats de simulations atomistiques. Pour mesurer qualitativement les effets des dislocations sur la ténacité, plusieurs dislocations avec des différents systèmes de glissement seront étudiées. D'autres paramètres comme la distance entre la fissure et la dislocation, la direction de la fissure, et la déformation initiale seront aussi étudiées. Pour comparer le modèle étudié avec des résultats provenant d'autres simulations, deux orientations de fissure seront simulées. Les dislocations étudiées ont des effets sur la fissure différents en fonction de leur système de glissement. Les résultats montrent des dislocations créant soit de l'écrantage, doit de l'anti-écrantage soit une combinaison des deux. Ces effets sont uniquement dépendants de la nature de la dislocation et ne changent pas quand la direction du vecteur de ligne de la dislocation change, ni quand la dislocation est plus éloignée de la fissure, même si l'intensité de l'effet change. De plus, les dislocations étant associées à un état de cisaillement local, elles affectent plus fortement KII que KI. KII contrôle aussi l'angle de propagation de la fissure, ce qui implique que les dislocations sont une des principales sources des déviations des fissures
Fracture toughness in materials is not only controlled by macroscopic parameters but also by the microstructure. The defects of the crystalline structure such as voids, inclusions or dislocations can also greatly impact toughness. To better understand this, 3D simulations of a crack front interacting with dislocations will be carried out. These simulations aim at measuring the variations of the stress intensity factors on the crack front caused by the presence of dislocations. To carry out these simulations, two preexisting models will be combined: Extended Finite Elements Method (XFEM) and Discrete Dislocation Dynamics (DDD). XFEM is an evolution of the Finite Elements Methods that allows the study of a propagating crack without needing to remesh, it will control the studied volume, the applied loading and the crack position while DDD controls the dislocations, their movement, and their multiplication. The accuracy of the created model is tested by comparisons with atomistic simulations. To test the effect of dislocations on toughness, several dislocations with different slip systems were studied. Other parameters such as dislocation crack distance, line direction, and initial strain were also studied. To compare the studied model with existing simulation results, two crack orientations were selected. The studied dislocations have different behaviors depending on their slip system. The results show dislocations creating shielding, antishielding or a combination of both. These effects are only dependent of the dislocation nature, and do not change when the dislocation line direction changes or if the dislocation is farther from the crack, though the intensity of the effect does change given these circumstances. Since the presence of dislocations is associated to a shear stress in their glide planes, it is found that they have more effect on KII than on KI. KII also controls the crack propagation angle, which means that the dislocations are one of the main sources of crack deviation

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Ye, Wei. "Nano-epitaxy modeling and design: from atomistic simulations to continuum methods." Diss., Georgia Institute of Technology, 2013. http://hdl.handle.net/1853/50304.

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Abstract:

The dissertation starts from the understanding of dislocation dissipation mechanism due to the image force acting on the dislocation. This work implements a screw dislocation in solids with free surfaces by a novel finite element model, and then image forces of dislocations embedded in various shaped GaN nanorods are calculated. As surface stress could dramatically influence the behavior of nanostructures, this work has developed a novel analytical framework to solve the stress field of solids with dislocations and surface stress. It is successfully implemented in this framework for the case of isotropic circular nanowires (2D) and the analytical result of the image force has been derived afterwards. Based on the finite element analysis and the analytical framework, this work has a semi-analytical solution to the image force of isotropic nanorods (3D) with surface stress. The influences of the geometrical parameter and surface stress are illustrated and compared with the original finite element result. In continuation, this work has extended the semi-analytical approach to the case of anisotropic GaN nanorods. It is used to analyze image forces on different dislocations in GaN nanorods oriented along polar (c-axis) and non-polar (a, m-axis) directions. This work could contribute to a wide range of nanostructure design and fabrication for dislocation-free devices.

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BOIOLI, FRANCESCA. "Dislocation modelling in realistic Si-Ge nanostructures." Doctoral thesis, Università degli Studi di Milano-Bicocca, 2013. http://hdl.handle.net/10281/40115.

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Abstract:

SiGe heterostructures have gained a lot of interests in view of developing devices integrated into the main-stream Silicon technology and also from a scientific point of view as a prototypical system to understand the properties of more complex systems, such as III-V semiconductors. Si-Ge epitaxial structures, as well as other mismatched heteroepitaxial materials, have a high potential to improve the state-of-the-art of Si devices, thanks to the fact that the strain modifies the band structures of this material class, opening new possibility of band-gap engineering. Since the nineties, the development of devices having strained-SiGe layers as the active part occurred, in particular the heterojunction bipolar transistors, further developed to what is presently the fourth-generation of SiGe technology. Also the introduction of strained Si layers by using relaxed SiGe virtual substrates, is very important, for example, for the complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) technology. In order to effectively exploit SiGe or strained-Si layers in any application, it is fundamental to growth high quality single crystalline materials, reducing as much as possible the defect density in the active volume and the surface corrugation, and to obtain the desired strain state in the epitaxial layers. However the possibility of using such heterostructures for any application, is hindered by the nucleation of dislocation, which is often an unavoidable strain-relief mechanisms. Dislocation formation affects both the final material quality and the relaxation degree of mismatched layers. These defects are often charged and act as non-radiative recombination centers and it is generally accepted that they are detrimental for opto-electronic devices based on Si-Ge semiconductors. In the past years, a lot of effort has been devoted reduce the defect density or to segregate dislocations in non-active regions. However, dislocation engineering, intended as the precise control of dislocation position, has always been a goal out of reach, because of the nucleation of such defects at unpredictable sites at the surface or at other heterogeneities. It is clear that predicting the extent of the plastic relaxation process and governing dislocation nucleation and positioning would be of the utmost importance. Self-assembled nanoislands and nanowires, represent other novel heterostructures that can be exploited to obtain defect-free configurations with the desired strain state. Even in this case, very high stresses arise from the epitaxial integration of lattice mismatched materials and dislocation formation remains a competitive strain relief mechanism. Hence it is of fundamental importance to determine the coherency limits of such nanostructures and to elucidate the main strain relief mechanisms in the attempt to predict the final dislocation microstructure and strain state in heteroepitaxial systems. The main goal of this work, is the understanding of the fundamental mechanisms of dislocation nucleation and propagation in Si-Ge nanostructures (i.e. films, nanoislands and nanowires) through dislocation modelling. Even if dislocation formation and motion relies on a sequence of discrete atomic displacements, such defects induce in a crystal a smooth deformation field in the entire structure. The elastic theory of dislocations provides a good description of such stress field and of the elastic energy, as produced by dislocations in bulk materials or in finite size solids with simple geometries. In order to assess the stresses and the energetics of plastically relaxed multifaceted structures, characterized by an high surface to volume ratio and typical length scale in the order of tens or hundreds of nanometers, linear elasticity theory numerically solved by finite element methods is the most suitable tool, since in this approximation the dislocation-surface interaction can be correctly taken into account. Moreover, the motion of dislocations in nanostructures can be handled by using three-dimensional dislocation dynamics simulations. This simulation technique, originally developed to study plasticity in bulk materials, has been demonstrated to give accurate results also for nanometric systems, and is the tool of choice to study the motion and interactions of a large density of dislocation in thin films or three-dimensional nanocrystals. Important properties determined by the atomistic nature of dislocations moving in a discrete lattice, can be included, both in the finite element calculations and in dislocation dynamics simulations, by adopting simple rules that take into account such atomistic features. The first topic addressed in this work, is the investigation of plastic relaxation in SiGe epitaxial films aimed at governing dislocation nucleation and positioning. In particular, we show with the help of finite element calculations and dislocation dynamics simulations that a turning point to direct dislocation formation and propagation in predefined regions, is the introduction of preferential nucleation sites through substrate nanopatterning. Theoretical predictions indicating effective dislocation trapping along the features of trench- or pit-patterned substrates are discussed and compared with tailored experiments of SiGe deposition on nanopatterned substrate. The second issue investigated here concerns self-assembled SiGe nanoislands. In these epitaxial nanostructures an intriguing mechanism of dislocation ordering is observed. In this work we reproduced such behavior by using a simple analytical model based on energetics considerations. Furthermore, the plastic relaxation onset for dislocation formation has been determined in epitaxial islands grown on pit-patterned substrates and nucleated in pits. The key factors influencing dislocation formation in such structures have been identified, opening new possibility to grow large defect-free islands on nanopattered substrates. Finally, dislocation formation in core-shell nanowires has been considered. Elastic and plastic strain relaxaion has been investigated in such structures and a mechanism for dislocation nucleation and propagation in core-shell nanowires is presented. This allowed us to predict dislocation configurations that are more efficient in the strain relief process and the expected misfit dislocation pattern at the core-shell interface.

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Guénolé, Julien. "Étude par simulations à l'échelle atomique de la déformation de nanofils de silicium." Thesis, Poitiers, 2012. http://www.theses.fr/2012POIT2321/document.

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Abstract:

L'étude des nano-objets en matériau semi-conducteur a révélé des propriétés mécaniques exceptionnelles, différentes de celles observées dans le massif. Outre l'intérêt technologique majeur qu'ils représentent à travers la miniaturisation toujours plus poussée des systèmes électroniques, leurs caractéristiques intrinsèques en font des objets particulièrement bien adaptés pour des études fondamentales. Dans ce contexte, nous avons étudié le déclenchement de la plasticité dans les nano-fils de silicium, les premiers stades de la plasticité étant en effet déterminants pour l'évolution ultérieure du système. Le silicium est ici considéré comme un semi-conducteur modèle. Pour cette étude, nous avons utilisé des simulations atomistiques qui sont parfaitement appropriées à l'analyse détaillée de la structure atomique des nano-objets. Après avoir contextualisé notre étude tant du point de vue de l'expérience que de celui des simulations, nous présentons les techniques numériques que nous avons utilisées. Nous décrivons ensuite l'étude de la déformation de nano-fils monocristallins, révélant notamment le rôle majeur des surfaces et l'activation d'un système de glissement jamais observé dans le silicium massif. Ce système de glissement est analysé en détail, et son activation est expliquée notamment au moyen de calculs ab initio. Enfin, nous avons considéré la déformation de nano-fils coeur-coquille cristal-amorphe et mis en évidence un comportement différent de celui observé pour les nano-fils monocristallins. Ainsi, des défauts natifs à l'interface cristal-amorphe semblent agir comme des germes favorisant la nucléation de la première dislocation qui va initier la plasticité
The study of semiconductor nano-objets has revealed amazing mechanical properties, different from what is commonly observed in bulk. Besides the technological interest of these objects, due to the ever more pronounced miniaturization of electronic devices, their intrinsic specificities make them particularly well suited for fundamental studies. During this thesis, we have thus studied the onset of plasticity in silicon nanowires, the first stages of plasticity being indeed deciding for the subsequent evolution of the system. Silicon is here considered as a model semiconductor. For that study, we have used atomistic simulations, which are well appropriate for the detailed analysis of the nano-objects atomic structure. We first recall the context of that study, both from the experiments and simulations points of view. We then present the numerical methods used. Thestudy of the deformation of monocrystalline nanowires is then described; it reveals in particular the deciding role of surfaces, and the activation of one slip system never observed in bulk silicon. This slip system is analyzed in details, and its activation is explained notably thanks to ab initio calculations. Finally, crystalline-amorphous core-shell silicon nanowires are considered; and shownto exhibit a different behavior from that of monocrystalline nanowires. Indeed, native defects at the crystalline/amorphous interface seem to act as seeds, favoring the nucleation of the first dislocation which gives rise to the plasticity

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Tummala, Hareesh. "Simulations 3D par dynamique des dislocations du rôle des interfaces dans la plasticité de milieux confinés et applications aux LEDs." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016GREAI096/document.

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Abstract:

La déformation plastique des matériaux cristallins classiques est surtout dominée par des dislocations et leurs interactions mutuelles. Pour les métaux nanocrystallines (nc), des mécanismes de joints de grains différents peuvent exister en plus des mécanismes basés sur la dislocation. La dépendance à l’égard, entre autres, la forme du grain, l’orientation des grains, la densité de dislocations initiale, la structure des joints de grains et conditions extérieures favorise un ou deux mécanismes de déformation par rapport aux autres. Ces mécanismes dominants dictent la réponse globale du métal nc. L’influence des caractéristiques de microstructure doit être mieux comprise individuellement et collectivement. Dans le cadre de cette thèse, des simulations de dynamique des dislocations discrète 3D (DD) ont été effectuéessur trois grains individuels de taille micronique de même volume, mais qui diffèrent leurs rapports d’aspect. La diminution de la localisation de la déformation plastique avec l’augmentation de rapport d’aspect du grain à été observée. En raison du mécanisme inter-dérapant amélioré, des grains ayant rapport de un aspect plus elevé. La réponse plastique anisotrope des grains allongés a été quantifiée en terme d’ampleur du back-stress sur chaque système de glissement. En outre, une version polycristalline de dynamique des dislocations couple avec des éléments finis a été utilisée pour étudier le comportement mécanique des couches minces de palladium libre avec des grains colonnaires. La densité de dislocations initiale prise en compte dans les simulations est proche de celle mesurée expérimentalement. Les simulationsde DD d’un polycristal avec 12 grains hexagonaux de tailles égales reproduisent correctement le comportement d’écrouissage. L’augmentation de la résistance observée avec la diminution de l’épaisseur du film a été capturé en utilisant une distribution de taille de grains hétérogène du polycristal. L’élément essentiel est que la probabilité de grains plus petits sans dislocations initiales augmente avec la diminution de l’épaisseur du film. La différence dans les contributions en back-stress résultant de la distribution de la taille des grains dans le film a également été quantifiée. Enfin, en adaptant le modèle de Read, l’influence d’une dislocation statique électriquement chargée sur les propriétés électriques des semi-conducteurs a été étudiée
Plastic deformation of classical crystalline materials is mostly dominated by dislocations and their mutual interactions. In nanocrystalline (nc) metals, different grain boundary mechanisms may exist in addition to the dislocation-based mechanisms. The dependency on, among other, the grain shape, grain orientation, initial dislocation density, grain boundary structure and external conditions will promote one or two deformation mechanisms over others. These dominant mechanisms dictate the overall response of nc metal. The influence of the microstructural features needs to be better understood individually and collectively. In the scope of the thesis, 3D discrete dislocation dynamics (DD) simulations were performed on three micron-sized single grains of same volume but differing in aspect ratios. Localization of plastic deformation was observed to decrease with increasing grain aspect ratio. Due to the enhanced cross-slip mechanism, grains with higher aspectratio exhibit a softer behavior. The anisotropic plastic response of elongated grains was quantified interms of the magnitude of back-stress on each slip system. Further, a polycrystalline version of dislocation dynamics code coupled with a finite elements was used, to study the mechanical behavior of free-standing palladium thin films with columnar grains. The initial dislocation density considered in the simulations is close to the one measured experimentally. DD simulations of a polycrystal with 12 equally sized hexagonal grains properly reproduce the strain hardening behavior. The increase in strength observed with decreasing film thickness was captured using a heterogenous grain size distribution of the polycrystal. The key element is that the probability of smaller grains with no inital dislocations is increasingwith decreasing thickness of the film. Difference in the back-stress contributions arising from the grain size distribution in the film was also quantified. Finally, by adapting Read’s model, the influence of a static, electrically-charged dislocation on electrical properties in semiconductors was studied

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Béjaud, Romuald. "Formation et extension de macles de déformation dans des nanostructures cfc : simulations numériques." Thesis, Poitiers, 2017. http://www.theses.fr/2017POIT2318.

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Abstract:

Depuis quelques dizaines d'années, l'élaboration de matériaux nanostructurés tend de plus en plus à se développer. En effet, ces matériaux présentent souvent des propriétés intéressantes et en particulier des propriétés mécaniques surprenantes vis-à-vis de leurs homologues sous forme massive. Les métaux nano-maclés ou nano-lamellaires par exemple, sont connus pour avoir une bonne résistance mécanique, une bonne stabilité thermique et une excellente résistance aux radiations. Au fur et à mesure que l'espacement entre les interfaces diminue, leur densité augmente de manière significative et les propriétés macroscopiques du matériau sont de plus en plus dépendantes des interactions défaut-interface. Dans ce contexte, nous avons étudié, via des simulations atomistiques, la formation de macles de déformation et les mécanismes d'interaction d'une macle nouvellement formée avec une interface préexistante (un joint de macle ou une interface entre 2 métaux), pour une configuration modèle de film mince auto-supporté. Des premiers résultats montrent l'influence de marches de surface sur le maclage, pour un cas modèle sans interface. Puis nous avons identifié un mécanisme inédit aboutissant à la formation d'une dislocation de Lomer suite à l’interaction d'une macle en formation avec un joint de macle préexistant. En faisant varier la densité de défauts de surface, nous montrons l'influence particulière d'un joint de macle sur la taille et le nombre de macles formées. Enfin, pour les systèmes bimétalliques Cu/Ag, nos résultats mettent en évidence le rôle des dislocations d'épitaxie (à l'interface) dans la nucléation et l'extension des macles ainsi qu'une influence directe du type d'interface considéré sur la propagation de ces macles
For several decades, the elaboration of nano-structured materials tends to develop more and more. Indeed, these materials often show interesting properties, and in particular surprising mechanical properties when compared to their bulk counterparts. For example, nano-twinned or nano-layered metals are known to have ultra-high mechanical strength, good thermal stability, and very good radiation resistance. As the interface spacing decreases to the nanometer-scale, the density of interfaces increases significantly and subsequently the macroscopic properties become largely governed by the interface-defect interactions. In that context, we have studied deformation twin formation and mechanisms of interaction between a new formed twin and a preexisting interface (a twin boundary or a bimetallic interface), using atomistic simulations and a thin film model configuration. First results show the influence of surface steps on mechanical twinning, for a model system without interface. Then we identify a new mechanism leading to the formation of a Lomer dislocation, following the interaction of a newly formed twin and a preexisting twin boundary. By varying the density of surface defects, we show the particular influence of a preexisting twin boundary on twin size and number. Finally, for the Cu/Ag bimetallic system, our results highlight the role of epitaxial dislocations (at the interface) in twin nucleation and extension as well as a direct influence of the interface type in twin propagation

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Portelette, Luc. "Analyse des mécanismes de glissement des dislocations dans l'UO2 à l'aide de la modélisation multi-échelles comparée à l'expérience." Thesis, Aix-Marseille, 2018. http://www.theses.fr/2018AIXM0406/document.

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Abstract:

Dans l'étude des éléments combustibles des réacteurs à eau pressurisée, cette thèse s'inscrit dans la compréhension et la modélisation du comportement viscoplastique du dioxyde d'uranium (UO2) à l'échelle du polycristal. Lors de fonctionnement de type incidentel du réacteur, le combustible subit une forte élévation de la température avec un gradient thermique de la pastille engendrant des déformations viscoplastiques contrôlées par des mouvements de dislocations. D'abord, un modèle de plasticité cristalline a été développé de manière à décrire l’anisotropie viscoplastique du matériau en fonction de la température et de la vitesse de sollicitation. Des simulations par éléments finis (EF) sur monocristaux ont permis d’identifier que les trois modes de glissement généralement observés dans l'UO2 sont importants pour décrire le comportement anisotrope du matériau. Dans un second temps, les coefficients de la matrice d'interactions entre dislocations ont été déterminés spécifiquement pour l’UO2 afin d’améliorer la modélisation des polycristaux. En effet, en calculant par EF les dislocations géométriquement nécessaires, qui sont responsables d’une forte augmentation de la densité de dislocations stockées dans les polycristaux, les interactions entre dislocations permettent de simuler l’effet dé taille de grain et l’écrouissage des pastilles. Finalement, le modèle, adapté pour les polycristaux, a été validé par comparaison avec les essais expérimentaux sur pastille et par comparaison du comportement intra-granulaire simulé avec des mesures EBSD. Grâce à cette dernière comparaison, il est possible de remonter indirectement aux hétérogénéités de déformation dans les grains
This thesis is part of the study of fuel elements of pressurized water reactors and, more specifically, focus on the understanding and modelling of the viscoplastic behavior of uranium dioxide (UO$_2$) at polycrystalline scale. During the incidental operation of the reactor, the fuel undergoes a strong increase of temperature and thermal gradient between the center and the periphery of the pellet leading to viscoplastic strains due to dislocation movement mechanisms. First, a crystal plasticity model was developed in order to describe the viscoplastic anisotropy of the material considering the temperature and the loading rate. Finite element (FE) simulations on single crystals enabled to highlight that the three slip modes generally observed in UO$_2$ are crucial to describe the anisotropic behavior of the material. Secondly, coefficients of the interaction matrix have been identified specifically for UO$_2$ in order to improve the polycrystal modelling. Indeed, by calculating geometrically necessary dislocations (GNDs), which are responsible of the great increase of the stored dislocation density in polycrystals, the interactions between dislocations enable to simulate de grain size sensitivity and hardening of the fuel pellet. Finally, the model adapted for polycrystals, have been validated by comparing FE simulations with pellet compression tests and by comparing the simulated intra-granular behavior with EBSD measurements. Thanks to the latter comparison, it is possible to indirectly compare the strain heterogeneities in the grains

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Daveau, Gaël. "Interaction dislocations - joints de grains en déformation plastique monotone : étude expérimentale et modélisations numériques." Phd thesis, Ecole Centrale Paris, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00740650.

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Abstract:

Modéliser la déformation plastique des polycristaux est un objectif majeur de la science des matériaux. Tous les modèles actuels comportent une partie phénoménologique n'ecessitant un ajustement de paramètres sur des résultats expérimentaux. Cette thèse vise à mettre en place un nouveau modèle, justifié physiquement, sans paramètre ajustable et adapté à la modélisation du polycristal CFC en sollicitation monotone. Afin de mesurer les champs mécaniques à l'échelle du micromètre, des mesures de microdiffraction Laue ont été réalisées sur un tricristal de cuivre à une faible déformation plastique. Ces mesures nous renseignent sur les mécanismes plastiques intervenant très près des joints de grains et définissent des états de référence pour les simulations. On montre principalement que la déformation plastique s'accompagne d'un stockage de dislocations géométriquement nécessaires (GND) aux joints de grains, en relation avec l'apparition de contraintes internes à longue distance. Des simulations de Dynamique des Dislocations dans des bicristaux ont 'et'e réalisées afin de caractériser les phénomènes physiques mis en œuvre. Ces simulations confirment que l'interaction dislocations - joints de grains s'accompagne d'un stockage de GND sous la forme de microstructures tridimensionnelles très inhomogènes. Les propriétés mécaniques induites par ce phénomène complexe peuvent être quantifiées par des lois continues élaborées à partir de l'approximation théorique d'un empilement unidimensionnel. Les lois de comportement ainsi définies ont ensuite été incorporées dans une modélisation micromécanique de plasticité cristalline, jusqu'ici dédiée au monocristal CFC. Le modèle ainsi construit a maintenant la capacité de prédire les mesures réalisées sur le tricristal de cuivre. Nous avons ainsi mis en place un modèle physiquement justifié et adapté 'a la modélisation du polycristal CFC en sollicitation monotone.

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Rizik, Vivian. "Analysis of an elasto-visco-plastic model describing dislocation dynamics." Thesis, Compiègne, 2019. http://www.theses.fr/2019COMP2505.

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Abstract:

Dans cette thèse on s'intéresse à l'analyse théorique et numérique de la dynamique des densités des dislocations, où les dislocations sont des défauts cristallins, apparaissant à l'échelle microscopique dans les alliages métalliques. En particulier, on considère en premier temps l'étude du modèle de Groma-Czikor-Zaiser (GCZ) et en second temps l'étude du modèle de Groma-Balog (GZ). Il s'agit en réalité d'un système d'équations de type paraboliques et de type Hamilton-Jacobi non-linéaires. Au départ, nous démontrons un résultat d'existence et d'unicité d'une solution régulière en utilisant le principe de comparaison et un argument de point fixe pour concernant le modèle GCZ. Ensuite, nous démontrons un résultat d'existence global en temps pour le modèle de GB, en se basant sur les notions des solutions de viscosités discontinues et sur une nouvelle estimation sur la variation totale de la solution, ainsi que sur la propagation à vitesse finie des équations régissantes. Ce résultat est étendu aussi au cas des systèmes d'équations d'Hamilton-Jacobi général. Enfin, nous proposons un schéma numérique semi-explicite permettant la discrétisation du modèle de GB. Nous montons, en s'appuyant sur l'étude théorique, que la solution discrète convergent vers la solution continue, ainsi qu'une estimation d'erreur entre la solution continue et la solution numérique. Des simulations montrant la robustesse du schème numériques sont également présentées
In this thesis, we are interested in the theoretical and numerical analysis o the dynamics of dislocation densities, where dislocations are crystalline defects appearing at the microscopic scale in metallic alloys. Particularly, the study of the Groma-Czikor-Zaiser model (GCZ) and the study of the Groma-Balog model (GB) are considered. The first is actually a system of parabolic type equations, where as, the second is a system of non-linear Hamilton-Jacobi equations. Initially, we demonstrate an existence and uniqueness result of a regular solution using a comparison principle and a fixed point argument for the GCZ model. Next, we establish a time-based global existence result for the GB model, based on notions of discontinuous viscosity solutions and a new estimate of total solution variation, as well as finite velocity propagation of the governed equations. This result is extended also to the cas of general Hamilton-Jacobi equation systems. Finally, we propose a semi-explicit numerical scheme allowing the discretization of the GB model. Based on the theoretical study, we prove that the discrete solution converges toward the continuous solution, as well as an estimate of error between the continuous solution and the numerical solution has been established. Simulations showing the robustness of the numerical scheme are also presented

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Askin, Joshua Wayne. "Atomic-Level Simulation of Deformation in Nanocrystalline Materials and Metallic Glasses." The Ohio State University, 2011. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=osu1293725272.

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Rida, Ali. "Study of the Mechanical Properties of Nanocrystalline Materials by Molecular Dynamics Simulations." Thesis, Troyes, 2018. http://www.theses.fr/2018TROY0031.

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Abstract:

Le SMAT est un procédé de traitement de surface répandu dans le domaine industriel. Ce procédé est capable de nanocristalliser la surface de pièces traitées et produisent ainsi un durcissement local de la surface toute en conservant la ductilité du cœur du matériau. Dans ce contexte, la caractérisation des mécanismes de déformations à différentes échelles (du micron au nanomètre) est indispensable afin de créer des modèles constitutifs permettant de décrire précisément le comportement mécanique des pièces traitées. Les mécanismes de déformations de la couche nanocristalline sont assez mal compris. La densité élevée des joints de grains dans cette couche change radicalement la réponse mécanique par rapport à des grains de taille micrométrique. Pour ces raisons, la dynamique moléculaire a été utilisée pour exploiter les mécanismes de déformations des matériaux métalliques nanocristallins à l’échelle atomique.Dans la première partie de cette thèse, nous avons développé une nouvelle méthode de génération des échantillons numériques nanocristallins par fusion-refroidissement d’un monocristal.Dans une deuxième partie, nous avons étudié l’effet de la taille des grains sur les propriétés mécaniques du cuivre FCC et d’une forme cristalline du titane (-Ti HCP) nanocristallins. Les mécanismes de déformations de ces matériaux ont été étudiés et caractérisés à l’échelle atomique, en lien avec les propriétés mécaniques. Finalement, l’influence du taux de déformation sur la réponse mécanique du cuivre nanocristallin a été étudiée
Surface mechanical attrition treatment (SMAT) is a type of surface treatment process widely used in industrial applications. SMAT is able to nanocrystallize the surface, and to generate a gradient of grain size along with increasing material depth, thereby combining strength and ductility. In this context, the characterization of the deformation mechanisms of each layer from the micro to the nanoscale is timely and desirable. This should lead to multiscale constitutive models able to describe accurately the mechanical behavior of the treated specimens. The mechanical behavior of the nanocrystalline materials still not well understood. The high density of grain boundaries changes radically the mechanical response in comparison with materials containing only micro-grains. To this aim, molecular dynamics simulations (MD) have been employed in order to study the mechanical behavior of the nanocrystalline surface layer that results from SMAT at the atomic scale. First, a new melting cooling method has been developed to generate realistic numerical initial atomic configurations for MD simulations. Secondly, the effect of the grain size on the mechanical behavior of FCC nanocrystalline Copper and HCP nanocrystalline Titanium (-Ti) has been investigated. The deformation mechanisms of these systems are explored and analyzed at the atomic level. Finally, the strain rate dependence of the mechanical and the relaxation behavior of nanocrystalline Copper models is studied

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Baudouin, Jean-Baptiste. "Modeling and simulation with molecular dynamics of the edge dislocation behavior in the presence of Frank loops in austenitic stainless steels Fe-Ni-Cr." Thesis, Lyon, INSA, 2014. http://www.theses.fr/2014ISAL0055/document.

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Abstract:

Les aciers inoxydables austénitiques sont très utilisés dans l’industrie nucléaire comme structure interne. Ces structures se retrouvent en grande majorité dans la cuve du réacteur et, du fait de leur proximité avec les assemblages combustibles, sont soumis à de rudes conditions d’utilisation. Ces éléments sont donc exposés à des doses d’irradiation élevées et peuvent atteindre 100 dpa après 40 ans d’utilisation, à une température proche de 350°C. Ces conditions d’utilisation modifient la microstructure de l’acier et son comportement mécanique, ce qui entraîne une dégradation de leurs propriétés mécaniques et de leur résistance à la corrosion. L’objectif de cette thèse est d’établir à l’échelle atomique une loi de comportement décrivant le déplacement d’une dislocation coin dans une solution solide Fe-Ni10-Cr20, d’apporter une compréhension des mécanismes d’interaction entre une dislocation coin et une boucle de Frank et d’investiguer l’effet de la température, du générateur aléatoire d’alliage, de l’orientation et du diamètre de la boucle sur la contrainte mécanique. Pour atteindre ces objectifs, des simulations en dynamique moléculaire sont réalisées, basées sur potentiel FeNiCr récemment développé pour imiter le comportement de l’acier austénitique inoxydable. Les simulations sont réalisées en conditions statiques, à 300 K, 600 K et 900 K et les interactions effectuées pour des tailles de boucle de Frank de 2 nm et 10 nm. nous proposons une loi de comportement où sont incluses la température et la vitesse de déformation; l’interaction entre la dislocation coin et la boucle de Frank révèle trois types de mécanismes d’interactions : le cisaillement simple, le défautement et l’absorption de la boucle. L’absorption est le mécanisme le plus stable ; Les analyses des propriétés mécaniques résultantes ont montré que le mécanisme de défautement requiert la contrainte la plus élevée pour que la dislocation franchisse l’obstacle. D’autre part, contrairement aux études précédentes, le défautement de la surface de la boucle n’a lieu que lorsque celle-ci entre en contact avec la dislocation coin ; dans le cas de la boucle de Frank de 2 nm, la corrélation entre la probabilité du mécanisme d’interaction et la force moyenne de l’obstacle constitue des données utiles pour les simulations en Dynamique des Dislocations. Les observations des configurations résultantes de la boucle de Frank suite à l’interaction avec la dislocation permettent de justifier l’apparition de bandes claires observées au MET. Ce travail a été partiellement soutenu par la Commission européenne FP7 par le numéro de subvention 232612 dans le cadre du projet PERFORM 60
Austenitic stainless steels are widely used in the nuclear industry as internals. These structures reside mainly in the reactor vessel and, due to their proximity with fuel assemblies, are subjected to severe operating conditions. These elements are exposed to high irradiation doses which can reach 100 dpa after 40 years of operating, at a temperature close to 350°C. These operating conditions affect the microstructure of steels and their mechanical behavior, which leads to the deterioration of their mechanical properties and their corrosion resistance. The objective of this PhD research work is to establish at the atomic scale a constitutive law describing the edge dislocation motion in a random Fe-Ni10-Cr20 solid solute solution, to bring a comprehensive understanding of the interaction mechanism between the edge dislocation and the Frank loops and to investigate the effect of temperature, alloying random generator, orientation and size of the Frank loop on the mechanical stress. To achieve these objectives, molecular dynamics simulations were conducted with a recently developed FeNiCr potential used to mimic the behavior of austenitic stainless steels. These simulations have been performed in static conditions as well as at 300 K, 600 K and 900 K and the interactions realized for loop sizes of 2nm and 10nm. A constitutive law taking into account the temperature and strain rate is proposed; the interaction between the edge dislocation and the Frank loop revealed 3 kinds of interaction mechanisms: simple shearing, unfaulting and absorption of the loop. Absorption is the most stable mechanism; the analyses of the resulting mechanical properties have shown that the unfaulting mechanism requires the highest stress to make the dislocation overcome the obstacle. On the other hand, contrary to previous studies, the unfaulting of the loop surface occurs only when the dislocation comes into contact with the edge dislocation; for the 2 nm Frank loop size, the coupling between the probability of the outcome of the reaction and the average strength of the obstacle constitutes useful data for Dislocation Dynamics simulations. The observations of the resulting Frank loop configurations following the interaction with the dislocation allow justifying the emergence of clear bands observed in TEM. This work has been partially supported by the European Commission FP7 with the grant number 232612 as part of the PERFORM 60 project

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Etcheverry, Arnaud. "Simulation de la dynamique des dislocations à très grande échelle." Thesis, Bordeaux, 2015. http://www.theses.fr/2015BORD0263/document.

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Abstract:

Le travail réalisé durant cette thèse vise à offrir à un code de simulation en dynamique des dislocations les composantes essentielles pour permettre le passage à l’échelle sur les calculateurs modernes. Nous abordons plusieurs aspects de la simulation numérique avec tout d’abord des considérations algorithmiques. Pour permettre de réaliser des simulations efficaces en terme de complexité algorithmique pour des grandes simulations, nous explorons les contraintes des différentes étapes de la simulation en offrant une analyse et des améliorations aux algorithmes. Ensuite, une considération particulière est apportée aux structures de données. En prenant en compte les nouveaux algorithmes, nous proposons une structure de données pour bénéficier d’accès performants à travers la hiérarchie mémoire. Cette structure est modulaire pour faire face à deux types d’algorithmes, avec d’un côté la gestion du maillage nécessitant une gestion dynamique de la mémoire et de l’autre les phases de calcul intensifs avec des accès rapides. Pour cela cette structure modulaire est complétée par un octree pour gérer la décomposition de domaine et aussi les algorithmes hiérarchiques comme le calcul du champ de contrainte et la détection des collisions. Enfin nous présentons les aspects parallèles du code. Pour cela nous introduisons une approche hybride, avec un parallélisme à grain fin à base de threads, et un parallélisme à gros grain de type MPI nécessitant une décomposition de domaine et un équilibrage de charge.Finalement, ces contributions sont testées pour valider les apports pour la simulation numérique. Deux cas d’étude sont présentés pour observer et analyser le comportement des différentes briques de la simulation. Tout d’abord une simulation extrêmement dynamique, composée de sources de Frank-Read dans un cristal de zirconium est utilisée, avant de présenter quelques résultats sur une simulation cible contenant une forte densité de défauts d’irradiation
This research work focuses on bringing performances in 3D dislocation dynamics simulation, to run efficiently on modern computers. First of all, we introduce some algorithmic technics, to reduce the complexity in order to target large scale simulations. Second of all, we focus on data structure to take into account both memory hierachie and algorithmic data access. On one side we build this adaptive data structure to handle dynamism of data and on the other side we use an Octree to combine hierachie decompostion and data locality in order to face intensive arithmetics with force field computation and collision detection. Finnaly, we introduce some parallel aspects of our simulation. We propose a classical hybrid parallelism, with task based openMP threads and domain decomposition technics for MPI

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Carpentier, Denise. "Simulation de la cinétique d’absorption des défauts ponctuels par les dislocations et amas de défauts." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLX077/document.

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Abstract:

La dynamique d'amas (DA) est une méthode de simulation en champ moyen permettant la prédiction de l'évolution des matériaux sous irradiation. Dans cette thèse, on s'intéresse aux forces de puits, qui sont les paramètres utilisés en DA pour représenter la capacité des puits (dislocations, cavités...) à absorber les défauts ponctuels (lacunes, interstitiels). Pour calculer les forces de puits, on réalise des simulations Monte Carlo cinétique sur objets (OKMC) dans lesquelles l'énergie des défauts ponctuels au point stable et au point col est décrite à l'aide de dipôles élastiques. Ces quantités sont préalablement calculées pour un cristal d'aluminium en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité. Une première partie de ce travail vise à évaluer les forces des principaux puits présents dans les microstructures sous irradiation (cavité, dislocation droite et boucle de dislocation) dans des configurations simples. L'étude met en évidence l'importance des interactions élastiques, et permet d'identifier l'anisotropie des dipôles élastiques au point col comme un paramètre très important qui modifie à la fois les trajectoires des défauts ponctuels et les valeurs de forces de puits. On s'intéresse dans une deuxième partie à l'importance de la position relative des puits sur leur capacité à absorber les défauts ponctuels. Des microstructures contenant un grand nombre de boucles de dislocation sont générées par des simulations OKMC et l'absorption des défauts ponctuels par ces microstructures est mesurée. Il est montré que le voisinage d'un puits modifie sensiblement sa capacité à absorber les défauts ponctuels et ce comportement est rationalisé en utilisant le volume de Voronoï associé à chaque puits. Cette étude conduit à proposer une nouvelle expression de force de puits, ainsi qu'un nouveau formalisme de DA dans lequel les amas sont caractérisés par leur taille et par le volume de leur cellule de Voronoï. Il est montré que ce formalisme permet d'améliorer fortement la prédiction de l'évolution des distributions de tailles d’amas lors d'une irradiation
Cluster Dynamics (CD) is a mean field simulation method which makes it possible to predict the materials evolution under irradiation. In this work, we focus on sink strengths, which are the parameters used in CD to represent the capacity of sinks (dislocations, cavities…) to absorb point defects (vacancies, self-interstitials). To calculate the sink strengths, object kinetic Monte Carlo (OKMC) simulations are performed. The energy of point defects at stable and saddle points is described through their elastic dipoles. These elements are computed in an aluminum crystal using density functional theory. In a first part, the sink strengths of the main objects found in irradiated microstructures (dislocations, cavities and dislocation loops) are calculated on simple configurations. This study reveals the importance of elastic interactions, and enables us to identify the saddle point anisotropy of point defects as an important parameter, as it modifies both the point defects trajectories and the sink strength values. Then, we focus on the role of the relative position of sinks in their capacity to absorb point defects. Microstructures containing a large number of dislocation loops are generated by OKMC simulations and the absorption of point defects by those microstructures is measured. It is shown that the neighborhood of a sink modifies noticeably its capacity to absorb the point defects and this behavior is rationalized through the Voronoi volume associated with each sink. This study leads to the proposal of a new sink strength expression, and of a new formalism for CD in which clusters are described by their size and their Voronoi volume. The results show that this formalism makes it possible to strongly improve the prediction of the evolution of cluster size distributions during irradiation

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Garcia, Rodriguez Daniel. "Optimisation d'un code de dynamique des dislocations pour l'étude de la plasticité des aciers ferritiques." Thesis, Grenoble, 2011. http://www.theses.fr/2011GRENI075/document.

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Abstract:

Ces travaux de thèse s’inscrivent au sein d’une démarche multi-échelles visant à améliorer lacompréhension de la fragilisation par l’irradiation de l’acier de cuve. Dans ce cadre, nous nousintéressons à la description de la mobilité des dislocations dans la ferrite, l’une des entrées clépour les codes de dynamique de dislocations (DD). Nous présentons ainsi une revuebibliographique exhaustive des différentes théories et expressions de la mobilité, à partir delaquelle nous proposons une nouvelle expression pour les dislocations vis. Cette loi, utilisablepour la première fois dans le régime de transition ductile-fragile, permet de reproduire lesprincipales observations expérimentales disponibles à ce niveau. Finalement, nous montronsles améliorations apportées au code de DD Tridis BCC 2.0, qui intègrent la nouvelle loi demobilité avec une nouvelle gestion des segments de dislocation permettant de stabiliser etaccélérer des simulations complexes avec prise en compte du glissement dévié
The present work is part of a larger multi-scale effort aiming to increase knowledge of thephysical phenomena underneath reactor pressure vessel irradiation embrittlement. Withinthis framework, we focused on the description of dislocation mobility in BCC iron, which is oneof the key inputs to dislocation dynamics (DD) simulation codes. An extensive bibliographicreview shows that none of the available expressions can deal with the ductile-fragile transitiondomain of interest. Here, a new screw mobility law able to reproduce the main experimentalobservations is introduced building on the previous models. The aforementioned law is usedtogether with an improved dislocations dynamics code Tridis BCC 2.0, featuring bothperformance and dislocations segments interaction management enhancements, that allowsfor complex DD simulations of BCC iron structures with cross-slip

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Lebon, Cyril. "Etude expérimentale et simulation numérique des mécanismes de plasticité dans les alliages de zirconium." Phd thesis, Université de La Rochelle, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00808627.

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Abstract:

Ce travail part du constat d'une part qu'il existe très peu de données expérimentales dans la littérature sur les monocristaux de zirconium et d'autre part qu'aucune loi de comportement monocristalline pour ce matériau n'est déterminée. L'objectif est donc de disposer d'une base de données expérimentale conséquente comme les cissions critiques pour le système prismatique, l'écrouissage, l'activation des systèmes de glissement et les volumes d'activation. Après avoir obtenu ces différents paramètres en utilisant la méthode de corrélation d'images, une approche multiéchelle a été mise en œuvre en s'appuyant d'une part sur la dynamique des dislocations et d'autre part sur des calculs par éléments finis. Une première loi de comportement monocristalline pour le zirconium est proposée et des simulations par éléments finis ont validé cette approche innovante.

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Hayward, Erin G. "Atomistic studies of defects in bcc iron: dislocations and gas bubbles." Diss., Georgia Institute of Technology, 2012. http://hdl.handle.net/1853/44761.

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Abstract:

The structure and interactions of the defects in material on an atomistic scale ulti- mately determine the macroscopic behavior of that material. A fundamental understanding of how defects behave is essential for predicting materials failure; this is especially true in an irradiated environment, where defects are created at higher than average rates. In this work, we present two different atomistic scale computational studies of defects in body centered cubic (bcc) iron. First, the interaction energies between screw dislocations (line defects) and various kinds of point defects will be calculated, using anisotropic linear elastic theory and atomistic simulation, and compared. Second, the energetics and behavior of hydrogen and hydrogen-helium gas bubbles will be investigated.

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Lloyd, Jeffrey T. "Microstructure-sensitive simulation of shock loading in metals." Diss., Georgia Institute of Technology, 2014. http://hdl.handle.net/1853/51853.

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Abstract:

A constitutive model has been developed to model the shock response of single crystal aluminum from peak pressures ranging from 2-110 GPa. This model couples a description of higher-order thermoelasticity with a dislocation-based viscoplastic formulation, both of which are formulated for single crystals. The constitutive model has been implemented using two numerical methods: a plane wave method that tracks the propagating wave front; and an extended one-dimensional, finite-difference method that can be used to model spatio-temporal evolution of wave propagation in anisotropic materials. The constitutive model, as well as these numerical methods, are used to simulate shock wave propagation in single crystals, polycrystals, and pre-textured polycrystals. Model predictions are compared with extensive existing experimental data and are then used to quantify the influence of the initial material state on the subsequent shock response. A coarse-grained model is then proposed to capture orientation-dependent deformation heterogeneity, and is shown to replicate salient features predicted by direct finite-difference simulation of polycrystals in the weak shock regime. The work in this thesis establishes a general framework that can be used to quantify the influence of initial material state on subsequent shock behavior not only for aluminum single crystals, but for other face-centered cubic and lower symmetry crystalline metals as well.

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Meng, Fanshi. "Simulations à l'échelle mésoscopique du comportement en fatigue de métaux CFC." Thesis, Université Grenoble Alpes, 2020. http://www.theses.fr/2020GRALI046.

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Abstract:

La fatigue est l'une des principaux mécanismes de défaillance des composants métalliques. les stades précurseurs de l'endommagement par fatigue concernent la période avant l'initiation et la propagation des fissures de fatigue et représente jusqu'à 90 % de la durée de vie en fatigue. De fait, la compréhension des mécanismes de l'endommagement par fatigue aux stades précurseurs est un enjeu clé pour am´eliorer la durée de vie opérationnelle des composants. Des études expérimentales ont montré l'importance des Bandes de Glissement Intensif (BGIs) en tant que sites de localisation de la plasticité et d'amorçage des fissures. Le but de cette thèse est de contribuer à la compréhension de la formation de microstructure de fatigue à l'échelle des dislocations avec l'aide de la dynamique de dislocations discrètes en 3D (DDD). Tout d'abord, des simulations de glissement simple sur monocristal de Cu sont réalisées. Le processus de formation des microstructures liées à l'organisation des dislocations à l'intérieur des PSB et l'évolution de la rugosité développée en surface sont élucidés. Pour un chargement de fatigue en cisaillement simple sous une amplitude de déformation imposée importante (>0.001), on observe une réorganisation progressive des dislocations dont la répartition initialement homogène dans le grain se transforme en des microstructures organisées en BGIs. Le processus est expliqué à partir de calculs des contraintes internes sur le système dévié. La stabilité des BGIs simulées est vérifiée en diminuant subitement l'amplitude du chargement après les avoir construites. Les simulations se comparent bien avec les observations expérimentales de la littérature. En outre, la comparaison entre Cu et l'acier inoxydable austénitique 316L confirme l'importance de la probabilité de glissement dévié pour la distribution et le nombre de BGIs. Des simulations de différentes combinaisons de glissements doubles sont également réalisées pour identifier l'effet des interactions de dislocations sur le comportement cyclique. Finalement, dessimulations cycliques de bi-cristaux et d'agrégats polycristallins sont réalisées grâce au nouveau code DDD dédié aux poly-cristaux
Fatigue is one of the main failure mechanism for metallic components. The early stages of fatigue refer to the period before the initiation and propagation of fatigue cracks, and accounts for up to 90% of fatigue life. Therefore, the understanding of fatigue damage mechanisms at the early stages is a key issue to improve the operational lifetime of components. Experimental studies have shed light on the importance of the Persistent Slip Band (PSB) as the sites of plasticity localization and subsequent initiation of cracks. The purpose of this thesis is to contribute to the understanding of the formation of fatigue microstructure at the scale of dislocations using 3D Discrete Dislocation Dynamics (DDD). First, simulations of single slip on Cu single crystal are realized. The formation process of the dislocation related microstructures inside PSBs and the surface roughness evolution are elucidated. Under a large strain (> 10−3), a transformation process of the homogeneously distributed dislocations into the organized PSBs is observed, which can be well explained from the diminution of the shear stress on the cross-slip plane. The stability of the numerical PSB is verified with a decreasing loading and is found to be comparable to experimental results. Besides, the comparison between Cu and AISI 316L austenitic stainless steel confirms the importance of cross-slip probability to the distribution and number of PSBs. Simulations of different double slip combinations are also realized to identify the effect of dislocation interactions on cyclic behavior. In the end, the preliminary cyclic simulations for bi-crystals and aggregates are launched with a newly developed DDD code for poly-crystals

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Abed, El Nabi Firas. "Effets de taille sur la transition fragile-ductile dans les nanopiliers de silicium : étude par simulation numérique." Thesis, Poitiers, 2016. http://www.theses.fr/2016POIT2253/document.

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Abstract:

Pour des intérêts technologiques, la compréhension des mécanismes de déformation des nano-structures est essentielle afin d'éviter que la relaxation des contraintes ne génère des défauts aux conséquences parfois catastrophiques. De plus, dans les nano-objets semi-conducteurs, les expériences montrent une transition fragile-ductile qui dépend de la taille des systèmes : ils sont ductiles pour des dimensions inférieures à quelques centaines de nanomètres, fragiles au-delà. Nous avons abordé ce problème via des calculs de dynamique moléculaire pour simuler des tests de déformation de nano-fils, et nous avons choisi le silicium comme prototype de matériau semi-conducteur. Nous avons dans un premier temps analysé des grandeurs mesurables comme les coefficients d'élasticité et la limite d'élasticité en fonction de différents paramètres, et montré notamment que la limite d'élasticité diminue quand la hauteur du nano-fil augmente. L'analyse à l'échelle atomique des systèmes déformés nous a permis de décomposer le comportement global des nano-fils en mécanismes élémentaires ; nous avons ainsi montré que la nucléation d'une première dislocation est à l'origine de l'ensemble des comportements, ductiles et fragiles. Après cette nucléation initiale, le comportement global du nano-fil est déterminé par la compétition entre la nucléation d'autres dislocations et l'ouverture de cavités. Finalement, nous avons essayé d'estimer quantitativement les degrés de ductilité et de fragilité des nano-fils en analysant l'énergie relaxée pendant le régime plastique par ces deux mécanismes élémentaires, et de rationaliser ainsi le rôle de la taille du système sur la transition fragile-ductile
For technological interest, the understanding of the deformation mechanisms at the nano-scale is essential in order to prevent stress relaxation mechanisms that could lead to defects formation and/or to catastrophic failure. Furthermore, recent experimental findings showed in semiconductor nano-objects, a size dependent brittle to ductile transition: they are ductile below a few hundreds of nanometers, brittle above that scale. To investigate this behavior, we have used molecular dynamics as a tool to simulate deformation tests of nanowires and we have used silicon as a prototypical semiconductor material. First we analyzed a number of measurable quantities such as the elasticity coefficients and the elasticity limit with respect to various parameters and we found that the elasticity limit decreases when the length of the nanowire increases. An analysis of the atomic structure of the deformed systems allowed us to decompose the overall mechanical behavior of the nanowires into elementary mechanisms; we thus showed that the nucleation of a first dislocation was systematically at the origin of ductility and brittleness. After the initial dislocation nucleation, the competition between further dislocation nucleation events and cavities opening, determine the overall mechanical behavior of the nanowire. Finally, we tried to estimate quantitatively the degree of ductility and brittleness of the nanowires by analyzing the amount of energy released by those two elementary mechanisms during the plastic regime and we rationalized the role of the size of the deformed systems on the brittle to ductile transition

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Waseda, Osamu. "Atomic scale investigation of ageing in metals." Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSEI150/document.

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Abstract:

Selon la théorie de Cottrell et Bilby, les dislocations à travers leur champ de contrainte interagissent avec les atomes de soluté qui s’agrègent au cœur et autour des dislocations (atmosphère de Cottrell). Ces atmosphères « bloquent » les dislocations et fragilisent le matériau. Dans cette thèse, les techniques de simulations à l’échelle atomique telles que la Dynamique Moléculaire, les simulations Monte Carlo Cinétique, Monte Carlo Métropolis ont été développées qui permettent de prendre en compte les interactions entre plusieurs centaines d’atomes de carbone et la dislocation, pour étudier la cinétique de formation ainsi que la structure d’une atmosphère de Cottrell. Par ailleurs, la technique de simulation est appliquée à deux autres problématiques: premièrement, il est connu que les atomes de C dans la ferrite se mettent en ordre (mise en ordre de Zener). La stabilité de cette phase est étudiée en fonction de la température et la concentration de C. Deuxièmement, la ségrégation des atomes de soluté dans les nano-cristaux de Ni ainsi que la stabilité des nano-cristaux avec les atomes de soluté dans les joints de grain à haute température est étudiée
The objective of the thesis was to understand the microscopic features at the origin of ageing in metals. The originality of this contribution was the com- bination of three complementary computational techniques : (1) Metropolis Monte Carlo (MMC), (2) Atomic Kinetic Monte Carlo (AKMC), and, (3) Molecular Dynamics (MD). It consisted of four main sections : Firstly the ordering occurring in bulk alpha-iron via MMC and MD was studied. Various carbon contents and temperatures were investigated in order to obtain a “phase diagram”. Secondly, the generation of systems containing a dislocation interacting with many carbon atoms, namely a Cottrell Atmosphere, with MMC technique was described. The equilibrium structure of the atmosphere and the stress field around the atmospheres proves that the stress field around the dislocation was affected but not cancelled out by the atmosphere. Thirdly, the kinetics of the carbon migration and Cottrell atmosphere evolution were investigated via AKMC. The activation energies for carbon atom migration were calculated from the local stress field and the arrangement of the neigh- bouring carbon atoms. Lastly, an application of the combined use of MMC and MD to describe grain boundary segregation of solute atoms in fcc nickel was presented. The grain growth was inhibited due to the solute atoms in the grain boundary

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Tucker, Garritt J. "Atomistic simulations of defect nucleation and free volume in nanocrystalline materials." Diss., Georgia Institute of Technology, 2011. http://hdl.handle.net/1853/41107.

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Abstract:

Atomistic simulations are employed in this thesis to investigate defect nucleation and free volume of grain boundaries and nanocrystalline materials. Nanocrystalline materials are of particular interest due to their improved mechanical properties and alternative strain accommodation processes at the nanoscale. These processes, or deformation mechanisms, within nanocrystalline materials are strongly dictated by the larger volume fraction of grain boundaries and interfaces due to smaller average grain sizes. The behavior of grain boundaries within nanocrystalline materials is still largely unknown. One reason is that experimental investigation at this scale is often difficult, time consuming, expensive, or impossible with current resources. Atomistic simulations have shown the potential to probe fundamental behavior at these length scales and provide vital insight into material mechanisms. Therefore, work conducted in this thesis will utilize atomistic simulations to explore structure-property relationships of face-centered-cubic grain boundaries, and investigate the deformation of nanocrystalline copper as a function of average grain size. Volume-averaged kinematic metrics are formulated from continuum mechanics theory to estimate nonlocal deformation fields and probe the nanoscale features unique to strain accommodation mechanisms in nanocrystalline metals. The kinematic metrics are also leveraged to explore the tensile deformation of nanocrystalline copper at 10K. The distribution of different deformation mechanisms is calculated and we are able to partition the role of competing mechanisms in the overall strain of the nanocrystalline structure as a function of grain size. Grain boundaries are observed to be influential in smaller grained structures, while dislocation glide is more influential as grain size increases. Under compression, however, the resolved compressive normal stress on interfaces hinders grain boundary plasticity, leading to a tension-compression asymmetry in the strength of nanocrystalline copper. The mechanisms responsible for the asymmetry are probed with atomistic simulations and the volume-averaged metrics. Finally, the utility of the metrics in capturing nonlocal nanoscale deformation behavior and their potential to inform higher-scaled models is discussed.

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Fan, Zhengxuan. "Atomistic simulation of fatigue in face centred cubic metals." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLX076/document.

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Abstract:

La fatigue induite par chargement cyclique est un mode d'endommagement majeur des métaux. Elle se caractérise par des effets environnementaux et de grandes dispersions de la durée de vie qui doivent être mieux comprises. Les matériaux analysés sont de type cfc : aluminium, cuivre, nickel et argent. Le comportement de marches naturellement créées en surface par le glissement cyclique de dislocations est examiné par simulations en dynamique moléculaire sous vide et sous environnement oxygène pour le cuivre et le nickel. Un phénomène de reconstruction est observé sur les marches en surface, qui peut induire une forte irréversibilité. Trois mécanismes de reconstruction des marches apparues en surface sont observés et décrits. L’irréversibilité de ces marches est ensuite analysé. Elles sont irréversibles pour des chargements expérimentaux, sauf arrivée de dislocations de signe opposé sur un plan de glissement directement voisin.Avec arrivée de dislocations sur des plans non voisins, l'irréversibilité s’accumule cycle par cycle et il est possible de reproduire l’apparition de fissures en surface dont la profondeur augmente graduellement.Un environnement oxygène modifie la surface (début d’oxydation) mais pas l’irréversibilité parce que l’oxygène n’a pas d'influence majeure sur les différents mécanismes liés à l’évolution du relief.Une estimation grossière de l'irréversibilité est faite pour des dislocations coin pures dans une bande de glissement persistante pour les matériaux dits ondulés. On obtient un facteur d’irréversibilité entre 0,5 et 0,75 pour le cuivre, sous vide et sous l’environnement oxygène, en accord avec des mesures récentes en microscopie à force atomique.La propagation de fissures est simulée en environnement inerte. Les fissures peuvent se propager à cause de l'irréversibilité des dislocations générées, liée à leurs interactions allant jusqu’à la création de jonctions
Fatigue is one of the major damage mechanisms of metals. It is characterized by strong environmental effects and wide lifetime dispersions which must be better understood. Different face centred cubic metals, Al, Cu, Ni, and Ag are analyzed. The mechanical behaviour of surface steps naturally created by the glide of dislocations subjected to cyclic loading is examined using molecular dynamics simulations in vacuum and in air for Cu and Ni. An atomistic reconstruction phenomenon is observed at these surface steps which can induce strong irreversibility. Three different mechanisms of reconstruction are defined. Surface slip irreversibility under cyclic loading is analyzed. All surface steps are intrinsically irreversible under usual fatigue laboratory loading amplitude without the arrival of opposite sign dislocations on direct neighbor plane.With opposite sign dislocations on non direct neighbour planes, irreversibility cumulates cycle by cycle and a micro-notch is produced whose depth gradually increases.Oxygen environment affects the surface (first stage of oxidation) but does not lead to higher irreversibility as it has no major influence on the different mechanisms linked to surface relief evolution.A rough estimation of surface irreversibility is carried out for pure edge dislocations in persistent slip bands in so-called wavy materials. It gives an irreversibility fraction between 0.5 and 0.75 in copper in vacuum and in air, in agreement with recent atomic force microscopy measurements.Crack propagation mechanisms are simulated in inert environment. Cracks can propagate owing to the irreversibility of generated dislocations because of their mutual interactions up to the formation of dislocation junctions

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Al, Zohbi Maryam. "Contributions to the existence, uniqueness, and contraction of the solutions to some evolutionary partial differential equations." Thesis, Compiègne, 2021. http://www.theses.fr/2021COMP2646.

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Abstract:

Dans cette thèse, nous nous sommes principalement intéressés à l’étude théorique et numérique de quelques équations qui décrivent la dynamique des densités des dislocations. Les dislocations sont des défauts microscopiques qui se déplacent dans les matériaux sous l’effet des contraintes extérieures. Dans un premier travail, nous démontrons un résultat d’existence globale en temps des solutions discontinues pour un système hyperbolique diagonal qui n’est pas nécessairement strictement hyperbolique, dans un espace unidimensionnel. Ainsi dans un deuxième travail, nous élargissons notre portée en démontrant un résultat similaire pour un système d’équations de type eikonal non-linéaire qui est en fait une généralisation du système hyperbolique déjà étudié. En effet, nous prouvons aussi l’existence et l’unicité d’une solution continue pour le système eikonal. Ensuite, nous nous sommes intéressés à l’analyse numérique de ce système en proposant un schéma aux différences finies, par lequel nous montrons la convergence vers le problème continu et nous consolidons nos résultats avec quelques simulations numériques. Dans une autre direction, nous nous sommes intéressés à la théorie de contraction différentielle pour les équations d’évolutions. Après avoir introduit une nouvelle distance, nous construisons une nouvelle famille des solutions contractantes positives pour l’équation d’évolution p-Laplace
In this thesis, we are mainly interested in the theoretical and numerical study of certain equations that describe the dynamics of dislocation densities. Dislocations are microscopic defects in materials, which move under the effect of an external stress. As a first work, we prove a global in time existence result of a discontinuous solution to a diagonal hyperbolic system, which is not necessarily strictly hyperbolic, in one space dimension. Then in another work, we broaden our scope by proving a similar result to a non-linear eikonal system, which is in fact a generalization of the hyperbolic system studied first. We also prove the existence and uniqueness of a continuous solution to the eikonal system. After that, we study this system numerically in a third work through proposing a finite difference scheme approximating it, of which we prove the convergence to the continuous problem, strengthening our outcomes with some numerical simulations. On a different direction, we were enthused by the theory of differential contraction to evolutionary equations. By introducing a new distance, we create a new family of contracting positive solutions to the evolutionary p-Laplacian equation

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ZHOU, XIAO-WEI. "Contribution au comportement dynamique des materiaux metalliques : etude experimentale de l'alliage al-li en torsion et en compression, simulation numerique du processus de penetration a grande vitesse." Nantes, 1988. http://www.theses.fr/1988NANT2014.

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Abstract:

Etude experimentale sur les alliages al-li soumis a des essais de traction et de compression pour des vitesses de deformation comprises entre 10**(-4) et 310**(3) s**(-1) et de 10**(-3) a 210**(3) s**(-1) respectivement. Auparavant ces alliages ont ete traites thermiquement. Analyse de la sensibilite a la vitesse de deformation. Influence du mecanisme d'activation thermique sur le processus de deformation. Determination du mode de rupture. Analyse des facies de rupture pour les echantillons deformes en traction et de la formation des cellules de dislocation dans ceux deformes en compression. Simulation numerique du processus de penetration a grande vitesse d'une cible mince par un projectile circulaire en utilisant un modele de fluide elasto-plastique. Comparaison avec des resultats experimentaux

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I-HsienChen and 陳弈先. "Study of Dislocation Nucleation and Defect Structure in Nano-indentation of Metals by Molecular Dynamics Simulations – Effect of Tip Shape." Thesis, 2011. http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/88383210142783918415.

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(9312344), Xiaorong Cai. "PHASE FIELD MODELING OF MICROSTRUCTURE EVOLUTION IN CRYSTALLINE MATERIALS." Thesis, 2020.

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Abstract:

The material responses and the deformation pattern of crystals are strongly influ- enced by their microstructure, crystallographic texture and the presence of defects of various types.

In electronics, Sn coatings are widely used in circuits to protect conductors, reduce oxidation and improve solderability. However, the spontaneous growth of whiskers in Sn films causes severe system failures. Based on extensive experimental results, whiskers are observed to grow from surface grains with shallow grain boundaries. The underlying mechanism for these surface grains formation is crucial to predict potential whisker sites. A phase field model is coupled with a single crystal plasticity model and applied to simulate the grain boundary migration as well as the grain rotation process in Sn thin film, which are two possible mechanisms for surface grain formation. The grain boundary migration of three columnar grains is modeled and no surface grain is formed due to large plastic dissipation. In polycrystal Sn thin film, the nucleation of subgrains with shallow grain boundaries is observed for certain grain orientations on the film surface and the location of which corresponds to the regions with high strain energy density. From these simulations, it can be concluded that the grain rotation is the mechanism for whisker grain formation and the nucleated subgrains may be the potential whisker sites.

Sn-based solders are also widely used in electronics packaging. The reliability and the performance of SAC (Sn-Ag-Cu) solders are of key importance for the miniaturiza- tion of electronics. The interfacial reaction between Cu substrates and Sn-based sol- ders forms two types of brittle intermetallic compounds (IMCs), Cu6Sn5 and Cu3Sn.

During the operation, the interconnecting solders usually experience thermal loading and electric currents. These environmental conditions result in the nucleation of voids in Cu3Sn layer and the growth of the IMCs. A phase field damage model is applied to model the fracture behavior in Cu/Sn system with different initial void densities and different Cu3Sn thickness. The simulation results show the fracture location is dependent on the Cu3Sn thickness and the critical stress for fracture can be increased by lowering the void density and Cu3Sn thickness.

In alloys, the stacking fault energy varies with the local chemical composition. The effects of the stacking fault energy fluctuation on the strengthening of alloys are studied using phase field dislocation method (PFDM) simulations that model the evolution of partial dislocations in materials at zero temperature. Some examples are shown to study the dependency of the yield stress on the stacking fault energy, the decorrelation of partial dislocations in the presence of impenetrable and penetrable particles. Simulations of the evolution of partial dislocations in a stacking fault energy landscape with local fluctuations are presented to model the responses of high entropy alloys. A strong size dependency is observed with a maximum strength when the mean region size approaches the average equilibrium stacking fault width. The strength of high entropy alloys could be improved by controlling the disorder in the chemical misfit.

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Chen, Shung-Tzung, and 陳修宗. "Discrete Dislocation Dynamics Simulation in Homogenous and Isotropic Media." Thesis, 2009. http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/41780412516797368907.

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Abstract:

碩士
國立成功大學
土木工程學系碩博士班
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Defects play an important role in metal mechanics behavior. Dislocation (line defect) relate to metal plastic deformation, damping, strain hardening and creep phenomenon. Since Volterra provide cut cylinder deformed model, dislocation study is an essential material science subject always. However, computation of dislocation is still difficult due to complicated formula and large dislocation numbers in material. The relationships between dislocations calculate results and macroscopic mechanical properties didn’t connect perfectly. Discrete dislocation dynamic (DDD) simulation is a numerically simulation approach. Firstly, one adopts simple components (ex. straight segments) which replaces complex geometry with piece-wise line. And take advantage of computer operation ability to handle large computation work. This thesis represents dislocation by node and line segment to set up geometry model. Apply straight segment dislocation stress equations to calculate each segment interaction stresses then overlap external stresses. By Peach-Koehler formula, one obtains dislocation line force. Consider force balance between driven force and viscous drag resistant force during dislocation moving. Finally, one derives a first-order differential equation which be solved by numerical integrator (Euler trapezoidal method). In practices, a Matlab code program simulates dislocation mobility behavior. In Frank-Read (FR) source simulation, the time which forms a dislocation loop is proportional to viscous drag coefficient and obstacle distance linearly. And the FR formation time decreases rapidly as applied stress increases. In 0.75 GPa stress level, the formation time versus obstacle distance ratio is 9.3 ns/nm. In 2.0 GPa stress level, the formation time versus obstacle distance ratio is 3.0 ns/nm. Keyword: Discrete dislocation dynamics, Granato-Lücke damping, Frank-Read source

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Chia-Wei, Lai. "A Study on Nanoindentation Induced Deformation and Dislocation Mechanisms Using Molecular Dynamics Simulation." 2006. http://www.cetd.com.tw/ec/thesisdetail.aspx?etdun=U0001-2706200618035800.

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Lai, Chia-Wei, and 賴家偉. "A Study on Nanoindentation Induced Deformation and Dislocation Mechanisms Using Molecular Dynamics Simulation." Thesis, 2006. http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/75694553199496547465.

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Abstract:

碩士
國立臺灣大學
土木工程學研究所
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In this study, we study the deformation responses and dislocation mechanisms during nanoindentation into aluminum metal with three geometrically different indenters. The spherical indenter, rectangular indenter, and Berkovich indenter are employed to use in the nanoindentation simulations. Besides the dislocation microstructure developments, the elastic anisotropy of the aluminum sample for two different crystallographic planes is also discussed. We use molecular dynamics as our modeling approach because its capability of elucidating the atomic information with high resolution can greatly help us to study the deformation process in the atomistic length scale. A general purpose materials simulation tool, the Molecular Dynamics package from Cornell Theory Center, is employed. The Ercolessi-Adams glue potential (Ercolessi and Adams 1994) is incorporated into this package to model the aluminum metal. The slip vector (Zimmerman et al. 2001) is used to detect the nucleation of dislocation defects. Two visualization tools, RasMol and PVWin, are used to visualize the deformed configuration and the dynamic deformation process. A stress definition proposed by Hardy (1982) is employed to analyze the critical mean resolved shear stress of the deformed region under the indentation site. Based on this study, the following conclusions can be drawn: (1) The discontinuity or load drop event presenting in the load-separate displacement curve can be viewed as the signal for dislocation nucleation or defect structure transition. (2) From the elastic analysis, we find that the Ercolessi-Adams glue potential models better than . (3) The critical mean resolved stress in the deformed region for the spherical and rectangular indenter cases are in a range between 3.84GPa and 3.33GPa, which is close to the calculated theoretic shear strength for the Ercolessi-Adams glue potential, 5.28GPa. However, that value reduces to a range between 1.83GPa to 2.5GPa for the Berkovich indenter case because of the presence of a tetrahedral defect region. (4) The effective Young’s modulus of is about 66% greater than that of when the aluminum sample is subjected to indentation loading condition. (5) The plasticity behavior in the nanoindentation experiment is dominated by dislocation activities. Prosperous dislocation activities, including dislocation lock formations, dislocation cross slip and double cross slip events, are observed during the nanoindentation simulation. (6) The dislocation activities under three geometrically different indenters are observed to be significantly different. Our observations indicate that the dislocation activities are substantially affected by the indenter geometrical shape. (7) In nanoindentation simulation, the deformation behavior is different for each indenter case. (8) We successfully extend the Molecular Dynamics package to simulate the nanoindentation experiment. This general purpose software for materials simulation is proven to be extensible and flexible for specific applications.

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Ma, Jin. "Multiscale simulation using the generalized interpolation material point method, discreet dislocations and molecular dynamics." 2006. http://digital.library.okstate.edu/etd/umi-okstate-1823.pdf.

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Deutges, Martin. "Einfluss von gelöstem Wasserstoff auf die Versetzungsbildung bei plastischer Verformung von Metallen." Doctoral thesis, 2016. http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0028-86F9-E.

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Abstract:

Gelöster Wasserstoff in Metallen führt in vielen Fällen zu einer Reduzierung der Güte von mechanischen Eigenschaften. Dies äußert sich auf vielfältige Weise und wird unter dem Begriff Wasserstoffversprödung zusammengefasst. Für ein grundlegendes Verständnis dieses Phänomens müssen die Vorgänge im Metall auf mikroskopischer Skala ergründet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher ein Aspekt der Wasserstoffversprödung, die Interaktion von Wasserstoff mit Versetzungen, näher untersucht. Zur Untersuchung des Einflusses von Wasserstoff auf die Versetzungsbildung wurden verschiedene Verformungsexperimente an Palladium und Vanadium durchgeführt. Prinzipielle Vorgänge der Defektbildung wurden durch Versuche an einzelnen Versetzungen unter Verwendung von Nanoindentation und Zugexperimenten im ETEM durchgeführt, um einen breiten Überblick zu erlangen. Zusätzlich wurden zum besseren Verständnis der Vorgänge Molekulardynamiksimulationen von derartigen Versuchen ausgeführt. Zur Untersuchung der Interaktion von Versetzungen miteinander wurden Säulen im Mikrometerbereich verformt und Blech durch Kaltwalzen verformt. Des Weiteren wurde durch Hochdruck-Torsion maximale Verformungen realisiert. Die verwendeten Modellmaterialien erlauben es verschiedene prinzipielle Vorgänge der Defektbildung zu untersuchen und so einen breiten Überblick über prinzipielle Vorgänge im kfz Gitter (Palladium) bzw. krz Gitter (Vanadium) zu erhalten.

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Dissertations / Theses on the topic 'Dislocation Dynamics Simulations'

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