Magnesium (Mg) has attracted significant interest in the manufacturing and transportation sectors due to its low density, abundance in the earth's crust, high specific strength, and good castability. However, Mg and its alloys typically exhibit poor room temperature ductility and formability, which limits their use as wrought materials. These limitations are directly linked to the underlying hexagonal-close-packed (hcp) crystal structure, which lacks sufficient independent deformation modes for homogeneous deformation at low temperatures. To address these drawbacks, twinning has been proposed as a potential means to provide additional deformation modes for homogeneous deformation at low temperatures. This thesis focuses on twinning in polycrystalline Mg and aims to characterize twinning structures and reveal twinning growth mechanism assisted by formation and migration of disconnections at twinning boundary (TB) interface. Additionally, the effect of solutes on TB strengthening and on the activity of main dislocations were investigated to uncover the underlying mechanism of solute-enhanced activity of these defects in Mg alloys.

To investigate the twinning response of a Mg polycrystal during deformation, large-scale classical molecular dynamics (MD) simulations were conducted. A novel algorithm based on crystallographic misorientation was developed to identify twin variants in deformed polycrystal. Schmid factors were then calculated to predict twinning activation. The findings suggest that twin variants with high Schmid factors are more likely to be activated.

In the following, the three-dimensional twinning structures were characterized and examined to provide information about microstructural evolution and the characteristic of three twinning modes i.e., {101̅2} {101̅1} and {112̅1} twins. Specifically, for {101̅1} twin, four types of disconnections were identified with step height of h₀, 2h₀, 3h₀ and 4h₀. Steps with heights of h₀ and 3h₀ are immobile along twinning direction as they result from the interaction between staking faults and TB interface, while the other two disconnections, formed away from the interaction sites, can move freely along twinning direction. In case of {112̅1} twin, only one type of disconnection with a step height of (b_1/2,h_1/2) was characterized.

Then, similar MD simulations were carried out on Mg-Al and Mg-Y polycrystals to investigate the effect of rare earth elements on the activity of deformation modes. Results show that in the Mg-Y alloy system, twinning occurs only in compressed samples, while pyramidal slips are activated in tensile samples to accommodate plastic strain along the c-axis. This observation is attributed to the addition of Y.

Furthermore, DFT-based ab initio calculations were used to study solute segregation at TBs and its effect on grain boundary strengthening. A two-factor model, considering both lattice strain and electronegativity, was proposed to predict the solute segregation energy, and the model prediction was found to agree well with DFT calculations. The effect of solutes on either strengthening or weakening the TB was evaluated, and potential elements for TB strengthening were proposed. Finally, Extensive MD simulations were also carried out to investigate the critical shear stress of the three main edge dislocations in Mg-Y alloy over a range of temperatures. Basal slip was found to be more sensitive to the Y solute compared to prismatic and pyramidal slip, leading to the easier activation of non-basal slip systems. Pyramidal slip was observed to be more sensitive to temperature, and in combination with Y addition, more pyramidal slips were potentially activated at finite temperature.

This research provides fundamental understanding of the deformation twinning mechanism in polycrystalline Mg, as well as the solute effect on the modification of deformation modes. These findings could serve as a basis for selecting promising solutes in the development of new highperformance Mg alloys.

Le magnésium (Mg) a attiré un intérêt considérable dans les secteurs de la fabrication et du transport en raison de sa faible densité, de son abondance dans la croûte terrestre, de sa résistance spécifique élevée et de sa bonne coulabilité. Cependant, le Mg et ses alliages présentent généralement une faible ductilité et formabilité à température ambiante, ce qui limite leur utilisation en tant que matériaux travaillés. Ces limitations sont directement liées à la structure cristalline compacte hexagonale (hcp) sous-jacente, qui manque de modes de déformation indépendants suffisants pour une déformation homogène à basses températures. Pour remédier à ces inconvénients, le maclage a été proposé comme moyen potentiel de fournir des modes de déformation supplémentaires pour une déformation homogène à basses températures. Cette thèse se concentre sur le maclage dans le Mg polycristallin et vise à caractériser les structures de maclage et à révéler le mécanisme de croissance du maclage assisté par la formation et la migration de dislocations à l'interface du maclage. De plus, l'effet des solutés sur le renforcement de l'interface de maclage et sur l'activité des principales dislocations a été étudié pour découvrir le mécanisme sous-jacent de l'activité améliorée des défauts dans les alliages de Mg.

Pour étudier la réponse au maclage d'un polycristal de Mg lors de la déformation, des simulations de dynamique moléculaire (MD) classique à grande échelle ont été menées. Un nouvel algorithme basé sur la désorientation cristallographique a été développé pour identifier les variantes de maclage dans un polycristal déformé. Les facteurs de Schmid ont ensuite été calculés pour prédire l'activation du maclage. Les résultats suggèrent que les variantes de maclage ayant des facteurs de Schmid élevés sont plus susceptibles d'être activées.

Dans ce qui suit, des structures de macles tridimensionnelles ont été caractérisées et examinées pour fournir des informations sur l'évolution microstructurale et les caractéristiques de trois modes de macles, c'est-à-dire, {101̅2} {101̅1} et {112̅1}. Spécifiquement, pour {101̅1}, nous avons déterminé quatre types de déconnexions avec une hauteur de pas de h₀, 2h₀, 3h₀ et 4h₀. 2h₀ et 4h₀ sont immobiles dans la direction de maclage car leur formation est due à l'interaction entre les failles de jalonnement et l'interface TB, tandis que les deux autres déconnexions se formant à partir des sites d'interaction peuvent se déplacer librement dans la direction de maclage. En cas de {112̅1}, un seul type de déconnexion est caractérisé.

Ensuite, des simulations de dynamique moléculaire (MD) similaires ont été effectuées sur des polycristaux Mg-Al et Mg-Y pour étudier l'effet des éléments des terres rares sur l'activité des modes de déformation. Les résultats montrent que la formation de maclage est limitée tandis que les glissements pyramidaux sont renforcés dans le polycristal de Mg-Y déformé.

De plus, des calculs ab initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité ont été utilisés pour étudier la ségrégation de solutés aux interfaces de maclage et son effet sur le renforcement des joints de grains. Un modèle à deux facteurs, considérant à la fois la contrainte de réseau et l'électronegativité, a été proposé pour prédire l'énergie de ségrégation des solutés, et la prédiction du modèle s'est avérée être en accord avec les calculs ab initio. L'effet des solutés sur le renforcement ou l'affaiblissement de l'interface de maclage a été évalué, et des éléments potentiels pour le renforcement des interfaces de maclage ont été proposés.

Enfin, des simulations de dynamique moléculaire étendues ont également été menées pour étudier la contrainte critique de cisaillement des trois principales dislocations d'arête dans l'alliage Mg-Y sur une plage de températures. Le glissement basal s'est avéré être plus sensible au soluté Y par rapport au glissement prismatique et pyramidale, conduisant à l'activation plus facile des systèmes de glissement non-basaux. Le glissement pyramidale a été observé pour être plus sensible à la température,

Le magnésium (Mg) a attiré un intérêt considérable dans les secteurs de la fabrication et du transport en raison de sa faible densité, de son abondance dans la croûte terrestre, de sa résistance spécifique élevée et de sa bonne coulabilité. Cependant, le Mg et ses alliages présentent généralement une faible ductilité et formabilité à température ambiante, ce qui limite leur utilisation en tant que matériaux travaillés. Ces limitations sont directement liées à la structure cristalline compacte hexagonale (hcp) sous-jacente, qui manque de modes de déformation indépendants suffisants pour une déformation homogène à basses températures. Pour remédier à ces inconvénients, le maclage a été proposé comme moyen potentiel de fournir des modes de déformation supplémentaires pour une déformation homogène à basses températures. Cette thèse se concentre sur le maclage dans le Mg polycristallin et vise à caractériser les structures de maclage et à révéler le mécanisme de croissance du maclage assisté par la formation et la migration de dislocations à l'interface du maclage. De plus, l'effet des solutés sur le renforcement de l'interface de maclage et sur l'activité des principales dislocations a été étudié pour découvrir le mécanisme sous-jacent de l'activité améliorée des défauts dans les alliages de Mg.

Pour étudier la réponse au maclage d'un polycristal de Mg lors de la déformation, des simulations de dynamique moléculaire (MD) classique à grande échelle ont été menées. Un nouvel algorithme basé sur la désorientation cristallographique a été développé pour identifier les variantes de maclage dans un polycristal déformé. Les facteurs de Schmid ont ensuite été calculés pour prédire l'activation du maclage. Les résultats suggèrent que les variantes de maclage ayant des facteurs de Schmid élevés sont plus susceptibles d'être activées.

Dans ce qui suit, des structures de macles tridimensionnelles ont été caractérisées et examinées pour fournir des informations sur l'évolution microstructurale et les caractéristiques de trois modes de macles, c'est-à-dire, {101̅2} {101̅1} et {112̅1}. Spécifiquement, pour {101̅1}, nous avons déterminé quatre types de déconnexions avec une hauteur de pas de h₀, 2h₀, 3h₀ et 4h₀. 2h₀ et 4h₀ sont immobiles dans la direction de maclage car leur formation est due à l'interaction entre les failles de jalonnement et l'interface TB, tandis que les deux autres déconnexions se formant à partir des sites d'interaction peuvent se déplacer librement dans la direction de maclage. En cas de {112̅1}, un seul type de déconnexion est caractérisé.

Ensuite, des simulations de dynamique moléculaire (MD) similaires ont été effectuées sur des polycristaux Mg-Al et Mg-Y pour étudier l'effet des éléments des terres rares sur l'activité des modes de déformation. Les résultats montrent que la formation de maclage est limitée tandis que les glissements pyramidaux sont renforcés dans le polycristal de Mg-Y déformé.

De plus, des calculs ab initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité ont été utilisés pour étudier la ségrégation de solutés aux interfaces de maclage et son effet sur le renforcement des joints de grains. Un modèle à deux facteurs, considérant à la fois la contrainte de réseau et l'électronegativité, a été proposé pour prédire l'énergie de ségrégation des solutés, et la prédiction du modèle s'est avérée être en accord avec les calculs ab initio. L'effet des solutés sur le renforcement ou l'affaiblissement de l'interface de maclage a été évalué, et des éléments potentiels pour le renforcement des interfaces de maclage ont été proposés.

Enfin, des simulations de dynamique moléculaire étendues ont également été menées pour étudier la contrainte critique de cisaillement des trois principales dislocations d'arête dans l'alliage Mg-Y sur une plage de températures. Le glissement basal s'est avéré être plus sensible au soluté Y par rapport au glissement prismatique et pyramidale, conduisant à l'activation plus facile des systèmes de glissement non-basaux. Le glissement pyramidale a été observé pour être plus sensible à la température, et en combinaison avec l'ajout de Y, davantage de glissements pyramidales ont été potentiellement activés à une température finie.

Cette recherche fournit une compréhension fondamentale du mécanisme de maclage de déformation dans le Mg polycristallin, ainsi que l'effet des solutés sur la modification des modes de déformation. Ces résultats pourraient servir de base pour la sélection de solutés prometteurs dans le développement de nouveaux alliages de Mg à haute performance.

et en combinaison avec l'ajout de Y, davantage de glissements pyramidales ont été potentiellement activés à une température finie.

Cette recherche fournit une compréhension fondamentale du mécanisme de maclage de déformation dans le Mg polycristallin, ainsi que l'effet des solutés sur la modification des modes de déformation. Ces résultats pourraient servir de base pour la sélection de solutés prometteurs dans le développement de nouveaux alliages de Mg à haute performance.