Simulation 3D éléments finis des macroségragations en peau induites par déformations thermomécaniques lors de la solidification d'alliages métalliques

3D finite element simulation of skin macrosegregations induced by thermomecanical deformations during metallic alloys solidification

• Auteur / Autrice : Benjamin Rivaux
• Direction : Michel Bellet, Charles-André Gandin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Alliages ternaires

Alliages binaires

Déformations (mécanique)

Mots clés libres

Macroségrégation, déformation thermomécanique, alliage binaire et ternaire, éléments finis et méthodes de stabilisation, microgravité

Résumé

Les macroségrégations sont des hétérogénéités de répartition des espèces chimiques en peau ou à coeur des produits sidérurgiques. Ces macroségrégations peuvent engendrer de sévères problèmes dans la chaîne de transformation aval. Contrairement à la plupart des études qui s'intéressent aux macroségrégations centrales, nos travaux portent sur la simulation des macroségrégations en peau induites par déformations thermomécaniques. La simulation a été construite en trois étapes. La première étape consiste à simuler la macroségrégation en l'absence de toute déformation du solide, c'est-à-dire à solide fixe et rigide. La deuxième étape, indépendante de la première, revient à calculer uniquement la déformation du solide. Enfin, la dernière étape correspond à la réunion des deux premières. Les équations du problème sont résolues grâce à la méthode des éléments finis à laquelle sont adjointes des méthodes de stabilisation. Pour chacune des étapes, les simulations se basent sur des expériences. Pour la première étape, la validation s'appuie sur l'expérience de Hebditch & Hunt. Les résultats numériques et expérimentaux concordent. L'expérience qui sert de point de comparaison pour la deuxième étape est l'expérience de la déformation d'une goutte de métal liquide lors de son refroidissement par une plaque en cuivre. Cette expérience a été mise en place par un des partenaires du projet et s'est déroulée en microgravité. La déformation numérique obtenue suit la même tendance que celle de l'expérience mais avec une intensité inférieure. La dernière étape s'est appuyée sur l'expérience de refroidissement pulsé d'un lingot effectuée par El-Bealy. La simulation prévoit des variations de ségrégation mais n'arrive pas à capter toutes les variations expérimentales, conséquences de la déformation du solide. Des calculs sans thermomécanique montrent que notre simulation semble moins sensible à la déformation que l'expérience. L'ensemble des simulations a mis en jeu des alliages binaires. Un cas de solidification d'alliage ternaire sans déformation du solide a été simulé.

Macrosegregations are chemical heterogeneities either in the skin or in the center of metallurgical products. These heterogeneities can generate serious troubles during downstream processing. Contrary to other studies which focus on central macrosegregation, our work aims to simulate the skin macrosegregation induced by thermomechanical deformations. Three steps are necessary to build the simulation. The first step consists on simulating macrosegregation at rigid and fixed solid, i. E. Without solid deformation. The second step, independent of the first one, aims to simulate the deformation of the solid without macrosegregation. The last step is a combination of the two previous one. All equations are solved by stabilized finite element methods. Each step refers to experiments in order to compare numerical and experimental results. The first step reproduces numerically the macrosegregation observed during Hebditch & Hunt experience. The numerical results are in good agreement with the experimental ones. The second step aims to simulate the deformation of a metallic liquid droplet during its solidification in contact with a copper chill, in microgravtiy. The numerical deformation obtained presents the same trend as the experimental one but in a lower magnitude. The last step is based on El-Bealy experience consisting of a pulsed water cooling of an ingot. The results show concentration variations but the simulation does'nt catch all experimental ones. Computations without macrosegregation point out that our simulations are less sensitive of deformation than the experiment. All simulations were run with binary alloys. Computations have also been run to simulate ternary alloy solidification but without solid deformation.