Thermodynamic and kinetic scale transfer for diffusion in alloys

La prédiction des microstructures représente un enjeu majeur pour l'étude des processus de vieillissement des alliages métalliques, en particulier sous irradiation. Les résultats des calculs ab initio de structure électronique peuvent être utilisés pour paramétrer les méthodes cinétiques de Monte Carlo Atomique et permettent ainsi de simuler quantitativement la diffusion des atomes et l'évolution de la microstructure qui en résulte. Cette méthode est cependant limitée par le temps de calcul qu'elle exige. Les simulations mésoscopiques évitent cet écueil, mais souffrent généralement de ne pouvoir être paramétrées sur les résultats obtenus aux échelles inférieures, limitant ainsi leur pouvoir de prédiction. Dans ce travail, une méthode de simulation appelée Monte Carlo cellulaire cinétique a été développée pour relier les échelles atomiques et mésoscopiques tout en conservant la nature discrète des atomes. Une procédure de paramétrisation basée sur les simulations Monte Carlo à l'échelle atomique a été établie. Elle permet de reproduire quantitativement les propriétés macroscopiques d'équilibre des alliages indépendamment de la taille des cellules utilisées. Une application à l'alliage fer-cuivre est présentée. Afin de décrire les propriétés cinétiques à ces échelles, un outil générique de calcul de la matrice d'Onsager dans les alliages a été mis en place. Il est fondé sur la theorie du Champ Moyen Auto-Cohérent. Les résultats obtenus sur des cinétiques de diffusion et de précipitation dans un alliage modèle sont présentés et validés par une comparaison systématique avec des simulations Monte Carlo à l'échelle atomique.Predicting microstructural evolution is a decisive step in the study of aging processes in alloys, especially under irradiation. The results of ab initio calculations of electronic structures can be used to parameterize kinetic methods such as Atomic Kinetic Monte Carlo simulations that allow reproducing quantitatively atomic diffusion and the resulting microstructure. Their use is however limited by their computational cost. Mesoscopic simulations are less concerned by such limitation, but suffer from the lack of reliable parameterization method to use data from simulations at lower scales that leads to a limited prediction capacity. A simulation method called Cellular Kinetic Monte Carlo is developed in this work to bridge the gap scales between atomic and mesoscopic scale simulation of diffusion. A crystal is there modeled as a. This method is based on a description of the crystal as a lattice of cells described by the discrete number of solute atoms they represents. The properties are then obtained by a controlled coarse-graining procedure based on Atomic Kinetic Monte Carlo simulations. It allows reproducing quantitatively macroscopic equilibrium for all cell sizes and has been applied to the Iron-Copper alloy. In order to describe kinetic properties at these scales, a generic computational tool has been developed to compute the Onsager matrix of alloys, based on the Self Consistent Mean field method. Diffusion and precipitation simulations have been done and the results are presented and assessed by a systematic comparison with Atomic Kinetic Monte Carlo simulations