Vers une description précise de la mobilité et de l'énergie du joint de grain pour leur implémentation dans un modèle éléments finis des mécanismes de recristallisation et croissance de grains

Towards a precise description of the grain boundary mobility and energy for their numerical integration in finite element modeling of recrystallization and grain growth mechanisms

• Auteur / Autrice : Brayan David Murgas Portilla
• Direction : Marc Bernacki, Nathalie Bozzolo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 07/04/2022
• 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 : Roland Logé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Bernacki, Nathalie Bozzolo, Somnath Ghosh, Carl E. Krill III, Baptiste Flipon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lukasz Madej, Laurent Delannay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Joints de grains

Mots clés libres

Élements Finis

Level-Set

Joint des grains

Mobilité

Énergie

Anisotropie

Hétérogénéité

Finite Element

Level-Set

Grain boundary

Mobility

Energy

Anisitropy

Heterogeneity

Résumé

La relation entre procédé de fabrication, microstructure, propriétés et performance des matériaux relève d’un grand intérêt pour l’industrie de mis en forme des métaux. Cette relation est à l’origine d’une nouvelle branche de la science des matériaux appelée ingénierie des joints de grains, qui vise à obtenir des propriétés spécifiques des matériaux métalliques grâce au contrôle de la distribution des types de joints de grains. Les procédés de fabrication des métaux peuvent être modélisés à une échelle mésoscopique grâce à l’utilisation d’outils numériques décrivant l’évolution des joints de grains. L’approche Level-Set (LS), dans un contexte de formulation éléments finis (EF), est un outil puissant permettant de reproduire les traitements thermodynamiques industriels où de grandes déformations peuvent avoir lieu.Ce travail visait à améliorer une formulation EF-LS en y introduisant des modèles plus précis concernant la description de l’énergie des joints de grains et de leur mobilité. L’objectif principal étant de construire des modèles encore plus prédictifs en croissance de grains et recristallisation. Des cas applicatifs sur un acier austénitique ont été considérés. Lorsque des joints de grains spéciaux ou des sous-joints sont étudiés, ils est en effet nécessaire d’améliorer les modèles décrivant les propriétés des joints de grains. Ces améliorations ont été intégrées dans différents formulations EF-LS grâce à l’ajout de termes dans le champ de vitesse et leur prise en compte, parfois complexe, dans les formulations faibles. La formulation dite anisotrope, testée sur des simulations de cas analytiques de jonctions triples et sur des microstructures polycristallines, s’est confirmée être la formulation la plus physique. Néanmoins, il convient de noter que la connaissance actuelle des données et des modèles de propriétés des joints de grains souffre toujours du manque de données expérimentales pertinentes et précises. La description complète des propriétés des joints de grains nécessite une analyse spatiale tridimensionnelle de la microstructure, ainsi qu’une évolution temporelle dans les conditions thermomécaniques données, ce qui reste impossible à réaliser avec les techniques les plus récentes.En se basant donc sur des données expérimentales partielles obtenues durant ce travail de thèse, sur des données issues de calculs pré-existants en dynamique moléculaire, et sur des simulations EF-LS réalisés sur des jonctions multiples et des polycristaux de plusieurs milliers de grains. Il a été mis en évidence que la formulation Anisotrope est la plus physiquement pertinente parmi les formulations proposées pendant ce travail. Cependant, il a également été mis en évidence que la formulation isotrope peut être utilisée pour des niveaux faibles d’hétérogénéité ou d’anisotropie avec une précision équivalente aux prédictions du modèle anisotrope. Les développements réalisés permettent aussi aujourd’hui de considérer, dans le formalisme LS, des macles cohérentes et incohérentes, isolées ou intégrées à une microstructure polycristalline.

The relation among process, microstructure, properties, and performance of materials is of great interest to the metal forming industries. The microstructure-properties relationship has opened an exciting branch of materials science called Grain Boundary Engineering: control the grain boundary character distribution to promote specific materials properties. The manufacturing process of metals can be modeled at the mesoscopic scale using numerical tools that describe the evolution of grain boundaries. The Level-Set (LS) approach in the context of Finite Element (FE) formulations remains a powerful tool that allows mimicking industrial thermomechanical treatments where large deformation can take place.This work aims to improve the FE-LS framework by including enriched grain boundary energy and mobility models and applies the enriched framework to the simulation of grain growth and recrystallization in a single phase austenitic steel. Accounting for the heterogeneity or the anisotropy of GB properties is necessary if special boundaries or subgrains have to be considered. The improvement of the GB property models was incorporated in different FE-LS formulations using additional terms in the existing kinetic framework. Noteworthily, the current knowledge of GB property data and models still suffers from the lack of relevant and accurate experimental data. The complete description of GB properties calls for high spatial three-dimensional microstructure analysis, and for temporal evolution under given thermomechanical conditions, which remains unattainable with the state-of-the-art techniques.Based on partial experimental data acquired in this work, existing molecular dynamics data, triple junction test cases and polycrystalline simulations, it was confirmed that the Anisotropic formulation was the most physical formulation. Nevertheless, when low levels of heterogeneity/anisotropy are involved in the considered microstructure, the isotropic formulation can be used safely in grain growth and recrystallization simulations. Finally, the new proposed numerical framework is shown to be able to model coherent and incoherent twin boundaries individually or immersed in a polycrystalline microstructure.