Modélisation à champ complet de recristallisation dynamique discontinue dans un contexte CPFEM

par David Ruiz Sarrazola

Projet de thèse en Mécanique numérique et Matériaux

Sous la direction de Marc Bernacki et de Daniel Pino muñoz.

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de École doctorale Sciences fondamentales et appliquées , en partenariat avec Centre de Mise en Forme des Matériaux (laboratoire) , Métallurgie Structure Rhéologie (equipe de recherche) et de MINES ParisTech (établissement opérateur d'inscription) depuis le 07-11-2017 .


  • Résumé

    In order to accurately describe the 3D evolution of polycrystals (recrystallization, phase transformations…), full-field methods such as the phase-field (PF) or the level-set (LS) methods have to be employed. In this context, a new FE numerical framework to model grain growth (GG) and recrystallization (ReX) based on a LS description of the interfaces and meshing/remeshing capabilities has been recently developeda. Nowadays, the LS approach is used for Rex/GG modeling in the context of uniform grids with a finite-difference formulation or in a FE framework on unstructured mesh. LS method is also particularly interesting for the modeling of Smith-Zener pinning. La recristallisation dynamique (DRX) est l'un des principaux phénomènes métallurgiques responsables de l'évolution de la microstructure des matériaux métalliques soumis aux procédés de mise en forme à chaud. Comprendre et prévoir les mécanismes physiques ultérieurs est d'une importance primordiale car la microstructure résultante sera directement responsable des propriétés finales du matériau en cours d'utilisation. Ainsi, de nombreux modèles phénoménologiques (de type JMAK par exemple) visant à décrire DRX ont été développés dans l'état de la technique. Cependant, en raison de la complexité des mécanismes impliqués dans DRX et de leurs interactions, les modèles phénoménologiques ou de champ moyen ne sont pas en mesure de rendre pleinement compte de l'évolution locale de la microstructure et des approches de champ complet sont nécessaires. La plupart des modèles DRX de champ complet ont des limites dans: leur capacité à modéliser une déformation élevée, ce qui limite leur applicabilité à de véritables traitements thermomécaniques industriels; Leur description de la déformation plastique, souvent très simplifiée. Dans cette thèse, un nouveau modèle à champ complet pour la recristallisation dynamique discontinue (DDRX) est proposé en couplant une méthode d'éléments finis de plasticité cristalline - élément finis (CPFEM) avec un cadre élément finis - level set (LS-FE) pour décrire le mouvement des joints de grains. Le modèle proposé prend en compte la déformation plastique anisotrope et son impact sur le mouvement des joints de grains. Combiné à une méthodologie de remaillage, le cadre numérique proposé est capable de décrire la DDRX jusqu'à des niveaux de déformation très importants. Le modèle est calibré et comparé aux mesures expérimentales de l'acier 304L. De plus, l'intérêt de cette stratégie (ratio précision / coût numérique) est également discuté comparativement à une approche plus simple (approximation CP Taylor). Tous ces développements sont réalisés dans un module CPFEM générique facilement utilisable dans n'importe quel code FE.

  • Titre traduit

    Full field modeling of discontinuous dynamic recrystallization in a CPFEM context


  • Résumé

    Dynamic recrystallization (DRX) is one of the main metallurgical phenomena responsible for the evolution of the microstructure of metallic materials subjected to hot metal forming processes. Understanding and predicting the subsequent physical mechanisms is of prime importance as the resulting microstructure will be directly responsible of the final in-use material properties. Thus, numerous phenomenological models (JMAK type for example) aiming to describe DRX have been developed in the state of the art. However, because of the complexity of the mechanisms involved in DRX and their interactions, phenomenological or mean field models are not able to fully account for the local evolution of the microstructure and full field approaches are required. Most DRX full field models have limitations in: Their ability to model high deformation, which limits their applicability for real industrial thermomechanical treatments; Their description of plastic deformation, which is often grossly simplified. In this PhD a new full field discontinuous DRX (DDRX) model is proposed by coupling a crystal plasticity finite element method (CPFEM) with a level-set finite element (LS-FE) framework to describe the grain boundary network motion. The proposed model considers anisotropic plastic deformation and its impact on grain boundary motion. Combined with a remeshing methodology, the proposed numerical framework is capable of describing DDRX up to very large deformation levels. The model is calibrated and compared against experimental measurements of 304L steel. Moreover, the interest of this strategy (ratio precision/numerical cost) is also discussed comparatively to a simpler approach (CP Taylor approximation). All these developments are realized in a generic CPFEM module easily usable in any FE code.