Atomistic to continuum mechanics description of crystal defects with dislocation density fields: application to dislocations and grain boundaries - Université de Lorraine Access content directly
Journal Articles International Journal of Plasticity Year : 2024

Atomistic to continuum mechanics description of crystal defects with dislocation density fields: application to dislocations and grain boundaries

Abstract

The atomic structure of crystal defects such as dislocations, grain or phase boundaries, control these defects' properties: their mobility, ability to cross-slip, or solute segregation. These crystal defects can be conveniently studied by atomistic simulations and one then needs to transfer relevant information at the upper scale to model microstructures containing a large number of defects, e.g., a polycrystal. Here, we propose an atomistic to continuum mechanics crossover method that (i) represents the atomic structure of dislocations cores by an appropriate Nye dislocation density tensor field and (ii), captures quantitatively the short and long range mechanical fields of defects. For (i), we propose a modified and improved interpolation method based on the original work by Hartley and Mishin. For (ii), we use a field dislocation mechanics framework that rigorously calculates / evaluates the mechanical fields associated with any Nye dislocation density distribution. The transfer method relies on molecular static calculations using two energetic models-ab-initio for screw dislocation core simulations in tungsten, and EAM potential for low and large angle grain boundaries in copper. Our findings demonstrate the e↵ectiveness of the proposed approach in reconstructing the Burgers vector, and continuous strain and rotation fields. The framework is further applied to analyze the elastic interactions between extrinsic edge dislocations and a low angle grain boundary in copper.
La structure atomique des défauts cristallins tels que les dislocations, les joints de grains ou de phase, contrôle les propriétés de ces défauts : leur mobilité, leur capacité de glissement dévié ou la ségrégation de solutés. Ces défauts cristallins peuvent être étudiés de manière pratique par des simulations atomistiques et il faut ensuite transférer les informations pertinentes à l'échelle supérieure pour modéliser des microstructures contenant un grand nombre de défauts, par exemple un polycristal. Nous proposons ici une méthode de passage de la mécanique atomistique à la mécanique des milieux continus qui (i) représente la structure atomique des cœurs de dislocations par un champ tensoriel de densité de dislocations de Nye approprié et (ii) capture quantitativement les champs mécaniques à courte et à longue portée des défauts. Pour (i), nous proposons une méthode d'interpolation modifiée et améliorée basée sur le travail original de Hartley et Mishin. Pour (ii), nous utilisons un cadre de mécanique des dislocations de champ qui calcule/évalue rigoureusement les champs mécaniques associés à n'importe quelle distribution de densité de dislocations de Nye. La méthode de transfert repose sur des calculs de statique moléculaire utilisant deux modèles énergétiques - ab-initio pour les simulations de cœurs de dislocations vis dans le tungstène, et le potentiel EAM pour les joints de grains à faible et grande désoriantation dans le cuivre. Nos résultats démontrent l'efficacité de l'approche proposée pour reconstruire le vecteur de Burgers et les champs de déformation et de rotation continus. Le cadre est ensuite appliqué pour analyser les interactions élastiques entre les dislocations coin extrinsèques et un joint de grain à faible désorientation dans le cuivre.
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hal-04471501 , version 1 (21-02-2024)
hal-04471501 , version 2 (23-02-2024)
hal-04471501 , version 3 (01-05-2024)
hal-04471501 , version 4 (21-05-2024)

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Cite

Houssam Kharouji, Lucile Dezerald, Pierre Hirel, Philippe Carrez, Patrick Cordier, et al.. Atomistic to continuum mechanics description of crystal defects with dislocation density fields: application to dislocations and grain boundaries. International Journal of Plasticity, 2024, 177, pp.103990. ⟨10.1016/j.ijplas.2024.103990⟩. ⟨hal-04471501v4⟩
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