Développement d'un cadre numérique en champ complet basé sur l'approche level-set pour simuler la transformation de phase diffusive à l'état solide dans les matériaux métalliques en polycristaux

A global level-set based full-field numerical framework to simulate diffusive solid-state phase transformation in polycrystalline metallic materials

• Auteur / Autrice : Nitish Chandrappa
• Direction : Marc Bernacki
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 08/02/2024
• 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 : Carl E. Krill III
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Bernacki, Julien Bruchon, Lukasz Madej, Nicolas Charbonnier, Madeleine Bignon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Bruchon, Lukasz Madej

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recristallisation (métallurgie)

Métaux semi-solides -- Mise en forme

Systèmes mésoscopiques

Austénite

Ensembles de niveaux, Méthodes d'

Mots clés libres

Transformation de phase diffusive

Décomposition de l'austénite

Ancrage par les solutés

Évolution de microstructure

Level-Set

Diffusive phase transformation

Austenite Decomposition

Solut drag

Microstructure evolution

Level-Set

Résumé

La structure intrinsèque des matériaux s'adapte en réponse à des stimuli externes. La capacité d'adaptation se caractérise par des évolutions microstructurales qui peuvent impacter les performances du matériau, soulignant l'importance de comprendre et de prédire l'évolution des microstructures. L'intégration de la modélisation numérique est indispensable pour mieux comprendre ces phénomènes complexes. La numérisation des procédés d'ingénierie des matériaux est la force motrice qui permet de dessiner les matériaux de demain. Les avancées récentes des ressources computationnelles ont stimulé l'émergence de modèles numériques mésoscopiques, permettant des descriptions réalistes des aspects évolutifs. Au cours de la mise en forme à chaud des métaux comprenant une grande déformation plastique, l'évolution des alliages métalliques est caractérisée par une interaction complexe de multiples phénomènes simultanés qui déterminent la microstructure finale. Actuellement, les prédictions numériques mettent l'accent sur les évolutions microstructurales monophasiques ou isolent les transformations de phase, en négligeant souvent les contributions d'autres phénomènes concomitants. Cette approche restrictive pourrait empêcher une meilleure compréhension de l'évolution de la microstructure. Une formulation numérique en champ complet basée sur l'approche level-set avec un cadre cinétique généralisé adapté aux polycristaux métalliques biphasés est donc proposée dans ce travail. Ce schéma cinétique global est capable de prendre en compte de diverses transformations microstructurales, y compris la transformation de phase diffusive à l'état solide, la recristallisation et la croissance de grain. L'approche level-set permet de simuler efficacement la recristallisation et la croissance de grains dans le cadre d'une grande déformation plastique. Cependant, son potentiel pour traiter la transformation de phase diffusive à l'état solide restait peu approfondi. L'objectif principal de ce travail était donc de simuler la transformation de phase diffusive à l'état solide dans les polycristaux métalliques en utilisant le modèle numérique proposé afin d'explorer les possibilités de l'approche level-set dans ce contexte. Il est démontré que le modèle numérique reproduit efficacement les comportements physiques attendus, notamment pour la décomposition de l'austénite dans les aciers. Ce modèle numérique est évalué par rapport à un modèle semi-analytique performant. Le potentiel du cadre numérique proposé pour reproduire le caractère de la transformation de phase dans des microstructures polycristallines complexes est mis en évidence. La versatilité du modèle pour intégrer facilement d'autres évolutions complexes est également présentée.

The underlying fabric of materials adapts in response to external stimuli. This adaptability manifests through microstructural transformations that can significantly impact the material's performance, emphasizing the importance of understanding and predicting microstructural evolution. Integrating numerical modeling is pivotal for gaining deeper insights into these complex phenomena. Digitizing material engineering processes is the driving force behind shaping the materials of tomorrow. Recent progress in computational resources has spurred a demand for mesoscopic numerical models, offering realistic descriptions of evolutionary aspects. During hot metal forming involving high plastic deformation, the evolution of metallic alloys experiences a complex interplay of multiple simultaneous phenomena that shape their microstructure. Currently, cutting-edge numerical predictions emphasize single-phase microstructural changes or isolate phase transformations, often neglecting contributions from other coexisting phenomena. This narrow focus could impede a holistic understanding of microstructural evolution. A level-set-based full-field numerical formulation featuring a generalized kinetic framework tailored for two-phase metallic polycrystals is thus proposed in this work. This inclusive kinetic framework is capable of proficiently accommodating multiple microstructural transformations, including diffusive solid-state phase transformation, recrystallization, and grain growth. The level-set method proves effective in simulating recrystallization and grain growth under high plastic deformation. However, its potential in addressing diffusive phase transformation in the solid-state has not been extensively investigated. The primary focus of this work is thus to simulate diffusive solid-state phase transformation in metallic polycrystals using the proposed numerical framework to explore the potential of level-set method in this context. The numerical model is demonstrated to effectively reproduce expected physical characteristics, particularly emphasizing austenite decomposition in steels. The proposed level-set numerical model is benchmarked against a state-of-the-art sharp interface semi-analytical model. The potential of the proposed numerical framework to replicate the phase transformation behavior in complex polycrystalline microstructures is showcased. The versatility of the framework to integrate other complex evolution is highlighted.