Modélisation des relations microstructure - propriétés de matériaux réfractaire : approche micromécanique par la méthode des éléments discrets

Numerical modeling of microstructure-properties relationships of refractories : micro-mechanical approach with the discrete element method

• Auteur / Autrice : Truong Thi Nguyen
• Direction : Marc Huger, Damien André
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance le 03/12/2019
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Schmitt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sido Sinnema
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ivan Iordanoff, Paulo B. Lourenço

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes thermiques

Méthode des éléments discrets

Matériaux réfractaires

Mots clés libres

Résistance au choc thermique

Micro-fissuration

Différentiel de dilation thermique

Thermal shock resistance

Micro-cracking

Thermal epansion mismatchx

Résumé

Cette thèse avait pour objectif d’étudier les relations entre la microstructure de matériaux réfractaires et leurs propriétés thermomécaniques afin d’améliorer leur résistance aux chocs thermiques. En particulier, des modélisations numériques ont été réalisées afin de mieux comprendre la conception de la microstructure liée à des endommagements dus au différentiel de dilatation thermique. A cette fin, des résultats expérimentaux de matériaux simplifiés ont été utilisés comme référence pour l’approche numérique. Afin d’obtenir des résultats quantitatifs des phénomènes d’endommagement complexes, de nouveaux développements ont été apportés à une plate-forme de modélisation d’éléments discrets existante, nommée GranOO. Entre autre, une méthode de calibration direct des paramètres locaux ainsi une amélioration du concept de contrainte viriel ont été proposées. Ensuite, l’approche DEM a été appliquée afin de reproduire les endommagement thermiques lors du refroidissement des matériaux simplifiés et d’examiner leurs effets sur les propriétés apparentes. Les résultats obtenus de l’évolution du module de Young et du coefficient de dilatation thermique en fonction de température ont montré des tendances similaires avec les résultats expérimentaux.

The present thesis aimed at investigating the relationships between the microstructure of refractories and their thermomechanical properties in order to increase their thermal shock resistance. In particular, numerical modeling were carried out in order to better understand the design of microstructure involving damages due to thermal expansion mismatch during processing. For this purpose, experimental results on simplified materials were used as reference for this numerical approach. In order to obtain quantitative results of complex phenomena, new developments of an existing discrete element modeling platform, namely GranOO, were carried out. More specifically, direct calibration method of input parameters and improvement of virial stress concept were proposed. This DEM approach was then applied to reproduce thermal damages during cooling of simplified materials and to examine their effects on macroscopic properties. The obtained DEM results of evolution of Young’s modulus and thermal expansion coefficient as a function of temperature exhibited similar tendencies with experimental results