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

Abstract

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 désoriantation dans le cuivre.