Analyse expérimentale et modélisation par champs de phase du couplage mécanique/diffusion

Experimental analysis and modeling by phase fields approach of mechanical/diffusion coupling

• Auteur / Autrice : Wajih Jbara
• Direction : Samuel Forest, Vincent Maurel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 01/03/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Florence Pettinari-Sturmel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Samuel Forest, Vincent Maurel, Yann Le Bouar, Jean-Briac Le Graverend, Thomas Gheno, Julien Jaravel, Kais Ammar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Le Bouar, Jean-Briac Le Graverend

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fatigue

Matériaux -- Fluage

Propriétés thermodynamiques

Couplage, Théorie du

Mots clés libres

Transformation de phase

Champs de phase

Morphologie des phases

Couplage mécanique/diffusion

Chargements complexes

Phase transformation

Phase field

Phase morphology

Mechanic/diffusion coupling

Complex loads

Résumé

L'objectif de ce travail est de modéliser le couplage fort entre le chargement mécanique et la microstructure dans des conditions de chargements complexes. On développe d'un point de vue théorique les bases thermodynamiques de tels couplages. D'un point de vue expérimental, on teste des couples de diffusion simples, de sorte à mettre en avant ces couplages, notamment pour clarifier le rôle de la plasticité sur la diffusion. Comme exemple d'application industrielle, on s'intéresse au cas des superalliages monocristallins à base de Nickel. Il a été observé qu'à haute température et sous chargement mécanique, les précipités γ' coalescent de manière anisotrope pour former une structure lamellaire de radeaux dans des plans cubiques de type {100}, ce phénomène est appelé la mise en radeaux. Ces évolutions de microstructure pendant la mise en radeaux n'est pas seulement due au processus de diffusion, mais aussi aux chargements thermomécaniques appliqués. La méthode du champ de phase sera utilisée pour modéliser l'évolution de la microstructure, en tenant compte du fort couplage entre les chargements mécaniques, la transformation de phase et la diffusion des espèces chimiques. Un système binaire Ni-Al avec deux phases γ (Ni) et γ' (Ni_3Al) a été considéré pour l'étude de ce cas. Différents types de chargements ont été simulés tels que le fluage, la fatigue et la fatigue-fluage afin d'étudier leurs effets sur la morphologie des phases, sur leur fraction volumique et sur la cinétique de transformation. L'oxydation de parois minces de superalliages monocristallins à base de Nickel en présence de chargements mécaniques a engendré l'apparition d'une zone de déplétion où une dissolution des précipités γ' a eu lieu. Ces effets sont simulés avec le modèle numérique développé. De plus, des observations expérimentales sont réalisées sur des matériaux industriels et des matériaux modèles afin de mettre en évidence les mécanismes de ce couplage.

The objective of this work is to model the strong coupling between mechanical loading and microstructure under complex loading conditions. As a first step, we develop a comprehensive theoretical analysis of coupling for the general case. Experimental tests have been carried out on the basis of simplified diffusion couples so as to illustrate the role of plasticity. Then, an example of industrial application where these couplings impact the behavior is the case of Nickel-based single crystals bearing high temperature loading. It has been observed that at high temperature and under mechanical loading, the precipitates γ' coalesce anisotropically to form a lamellar structure of rafts in cubic planes of type {100}, this phenomenon is called rafting. These microstructure evolutions are not only due to the diffusion process, but also to the thermomechanical loads applied. The phase field method will be used to model the evolution of the microstructure, taking into account the strong coupling between mechanical loadings, phase transformation and diffusion of chemical species. Ni-Al binary system with two phases γ (Ni) and γ' (Ni_3Al) was considered for the study of this case. Different types of loading were simulated such as creep, fatigue and fatigue-creep in order to study their effects on phase morphology, volume fraction and transformation kinetics. Oxidation on thin walls of nickel-based monocrystalline superalloys in the presence of mechanical loadings led to the appearance of a depletion zone where a dissolution of the gammaprime precipitates occurred. These effects are simulated with the numerical model developed. In addition, experimental observations are made with industrial materials and model materials to highlight the mechanisms of this coupling.