Modélisation des transformations de phase diffusives : approche par changement d'échelle

Modelling of diffusive phase transformations : an upscaling approach

• Auteur / Autrice : Abdelhalim Chirouf
• Direction : Miha Založnik, Alphonse Finel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 01/07/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Sabine Bottin-Rousseau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Miha Založnik, Alphonse Finel, Michel Perez, Mathis Plapp, Marie Bedel, Benoît Appolaire, Yann Le Bouar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Perez, Mathis Plapp

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthodes de simulation

Analyse multiéchelle

Transitions de phases

Alliages

Mots clés libres

Changement d'échelle

Modélisation

Changement de phase

Modelling

Upscaling

Phase transformation

Résumé

Les transformations de phase dans les alliages métalliques constituent un problème complexe multi-échelles et multi-physique : elles sont en effet contrôlées par différents phénomènes (transfert de chaleur, diffusion, mécanique ...) se produisant à des échelles de longueur qui s'étendent sur environ cinq ordres de grandeur. À l'échelle macroscopique (généralement l'échelle du processus de production, c'est-à-dire 1 m), un transfert de chaleur et des phénomènes multiphasiques ont lieu. À l'échelle mésoscopique (1 µm - 1 mm), les grains ou précipités germent et croissent, contrôlés par le soluté et le transport de chaleur impliquant des interactions collectives. À l'échelle microscopique (inférieure à 1 µm), la diffusion du soluté et la tension superficielle déterminent la morphologie des précipités et des grains. En raison du fort couplage entre les phénomènes se produisant aux différentes échelles de longueur, un modèle qui simule le comportement à l'échelle macroscopique doit intégrer les phénomènes aux échelles microscopique et mésoscopique. Inclure ces phénomènes en les simulant directement nécessiterait une puissance de calcul au-delà des capacités actuelles. Dans le présent travail, nous visons à développer un nouveau cadre pour enrichir les modèles à l'échelle macroscopique en utilisant des calculs extensifs à l'échelle mésoscopique. Ce cadre se veut général et s'appliquera à toutes les transformations contrôlées par diffusion, à l'état solide ou à la solidification.

Phase transformations in metallic alloys constitute a complex multiscale and multi-physics problem: they are indeed controlled by different phenomena (heat transfer, diffusion, mechanics ...) occurring at length scales that range over roughly five orders of magnitude. At the macroscale (typically the scale of the production process, i.e. 1 m) heat transfer and multiphase phenomena take place. At the mesoscale (1 µm – 1 mm) grains or precipitates nucleate and grow, controlled by solute and heat transport involving collective interactions. At the microscale (below 1 µm) solute diffusion and surface tension determine the precipitate and grain morphologies. Because of strong coupling between the phenomena occurring at the different length scales, a model that simulates the macroscale behavior needs to incorporate the microscale and mesoscale phenomena. Including these phenomena by simulating them directly would require computing power that will clearly be out of reach in the foreseeable future. In the present work, we aim at developing a new framework for enriching macroscale models using extensive calculations at the mesoscale. This framework is intended to be general, such that it can be applied to any diffusion-controlled transformations, at the solid-state or solidification.