Etude du comportement thermo-mécanique et de fissuration d'oxydes de fer à température ambiante et à haute température

Study of the thermo-mechanical and fracture behaviour of iron oxide scales at room temperature and at high temperature

• Auteur / Autrice : Victor Claverie
• Direction : Pierre Montmitonnet, Karim Inal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 17/10/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Salima Bouvier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Montmitonnet, Karim Inal, Henri Buscail, Muriel Braccini, Laurent Langlois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henri Buscail, Muriel Braccini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation numérique directe

Indentation des matériaux

Rayons X -- Diffraction

Laminage

Métaux -- Nettoyage

Mots clés libres

Calamine

Décalaminage

Indentation

Simulation numérique

Diffraction des rayons X

Laminage à chaud

Oxide scale

Descaling

Indentation

Numerical simulation

X-Ray Diffraction

Hot rolling

Résumé

Lors du laminage à chaud, une couche d'oxyde, la calamine, se forme à la surface des brames d'acier, responsable de défauts de surface. Le décalaminage, en envoyant de l'eau à haute pression à la surface de l'acier, permet de limiter l'épaisseur de l'oxyde, et donc d'améliorer la qualité de surface. L'objectif de cette étude est d'améliorer la compréhension des phénomènes mis en jeu lors du décalaminage secondaire à l'entrée du finisseur. Plusieurs nuances d'acier à faible teneur en carbone, caractérisées par des différences de décalaminage, sont choisies en vue d'analyser leurs disparités sur le plan industriel. Le comportement de la calamine est évalué par diffraction des rayons X à haute température de manière in situ, ce qui permet de reproduire un refroidissement contrôlé. Cette analyse comprend à la fois l'analyse des phases et des contraintes afin d'observer les transitions dans le comportement de l'oxyde, notamment la relaxation des contraintes internes au-delà de 700°C. Les propriétés mécaniques de l'oxyde sont évaluées par des essais d'indentation à température ambiante et à haute température. À faible température (<600°C), plusieurs familles de fissures se forment en indentations, compatibles avec un modèle de flexion d'une plaque dure (l'oxyde) sur un substrat mou (le métal) : fissures circulaires, délamination. À plus haute température, l'oxyde devient ductile. En parallèle, des simulations numériques par éléments finis (FEM) du processus d'indentation sont réalisées à l'aide du logiciel Abaqus® afin de mieux comprendre le mécanisme de fissuration et de délamination de l'oxyde. Ces simulations visent également à extraire les propriétés de fissuration de l'oxyde et de son interface. Ces données vont par la suite être utilisées pour une future modélisation complète du décalaminage hydraulique.

During the hot rolling process, a thin layer of oxide scale forms on the surface of steel slabs, leading to surface defects. Descaling, by applying high-pressure water to the steel surface, helps limit the thickness of the oxide and improve surface quality. This study aims to enhance the understanding of the phenomena involved in secondary descaling. Several low-carbon steel grades, characterised by differences in descaling, have been selected to analyse their discrepancies in industrial configurations. The behaviour of the oxide scale is evaluated through in situ high-temperature X-ray diffraction, enabling control over oxidation. This analysis includes both phase and stress evaluations to observe transitions in the behaviour of the oxide, particularly the relaxation of internal stresses above 700°C. Mechanical properties of the oxide are determined through indentation tests conducted at both room temperature and elevated temperatures. At lower temperatures (<600°C), indentation-induced cracks manifest in different patterns, consistent with a model of a hard film (the oxide) bending on a soft substrate (the metal), such as circular cracks and delamination. As the temperature increases, the oxide becomes ductile. Concurrently, numerical finite element simulations (FEM) of the indentation process are conducted to elucidate the mechanisms of fracture within the oxide layer. These simulations aim to extract essential fracture properties of the oxide layer and its interface. The acquired data will be used to develop a comprehensive model for hydraulic descaling.