Formation de structures de grains dans des alliages à solidification dendritique : modélisation couplée automates cellulaires et éléments finis

Formation of grain structure in dendritic alloy solidification : coupled cellular automaton - finite element modelling

• Auteur / Autrice : Gildas Guillemot
• Direction : Charles-André Gandin, Hervé Combeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et ingénierie des matériaux
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Automates cellulaires

Cristaux dendritiques

Ségrégation (métallurgie)

Simulation, Méthodes de

Solidification

Métallographie

Alliages étain-plomb

Résumé

La solidification des alliages métalliques donne lieu à la formation de grains dendritiques. Dans le but d'étudier l'influence de ces structures granulaires sur la ségrégation, nous avons développé un modèle original couplant une approche en Automates Cellulaires (CA), support à la modélisation microscopique du développement des grains, et une approche en Eléments Finis (FE), modélisant l'évolution des variables macroscopiques. Le couplage défini entre CA et FE permet de tenir compte du déplacement des grains alors que les équations macroscopiques sont résolues dans l'approximation d'un solide fixe. Les résultats obtenus pour la chute de cristaux de NH4CI retrouvent les tailles de grains mesurées et, partiellement, les vitesses de sédimentation. La simulation d'expériences de solidification de lingots d'alliage plomb-étain montre l'existence d'une déstabilisation au front conduisant à l'apparition de canaux ségrégés et l'influence de la structure sur la mésoségrégation.

The solidification of metallic alloys gives ri se to the formation of dendritic grains. Ln order to study the influence of the grain structure on segregation, a mode! has been developed that couples cellular automaton (CA) and finite element (FE) methods. The CA method simulates the development of the grains while the FE method solves the conservation equations that govern the evolution of the macroscopic variables. The coupling scheme between the CA and FE methods is defined to account for the movement of the grains, the approximation of a fixed sol id being used within the FE method. The fall of NH4CI crystals agrees with the measured grain sizes and, partially, with the sedimentation velocities. The simulation of the solidification of lead-tin lingots shows a destabilization at the growth front which leads to the creation of segregated channels. The influence of the grain structure on the formation of mesosegregation is also shown.