Modélisation en champ complet des couplages entre transformations de phase solide-solide, recristallisation et croissance de grain - Application à différents alliages

Full-field modeling of solid-solid phase transformations, recrystallization and grain growth - Application to different alloys

• Auteur / Autrice : Bowen Liu
• Direction : Marc Bernacki
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 13/01/2025
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Mise en Forme des Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Métallurgie Structure Rhéologie
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Mines Paris-PSL

Mots clés

Mots clés libres

Jumeaux numériques

Hpc

Métallurgie computationnelle

Réseaux d'interfaces

Approches de suivi de front et de capture de front

Transformations à l'état solide

Digital twins

Hpc

Computational Metallurgy

Interface networks

Front tracking and front capturing approaches

Solid-state phase transformation

Résumé

L'un des objectifs de l'Union européenne en matière de changement climatique consiste à atteindre des émissions nulles de gaz à effet de serre d'ici 2050. Cette perspective soumet l'industrie des matériaux métalliques, qui contribue grandement aux émissions de carbone, à une pression considérable de réduction des émissions de gaz à effet de serre, nécessitant la mise en place de stratégies numériques robustes et avec un haut degré de confiance, pour le développement et la conception de nouveaux matériaux à impact environnemental réduit . D'un point de vue plus général, les propriétés d'usage et la durabilité des matériaux métalliques sont fortement liées à leur microstructure, elle-même issue des traitements thermo-mécaniques effectués au cours de leur mise en forme. Ainsi, la compréhension et la prédiction des évolutions microstructurales sont aujourd'hui des points clés de la compétitivités des entreprises industrielles, avec un impact économique et sociétal direct sur tous les secteurs économiques majeurs (aérospacial, nucléaire, énergies renouvelables, défense, transport). La modélisation multi-échelle des matériaux, et plus précisément au niveau mésocopique, constitue le cadre le plus prometteur des simulations à caractère industriel des prochaines décennies, permettant un compromis entre versatilité et robustesse des modèles à base physique, du temps de calcul et de la précision. Le consortium DIGIMU, la chaire ANR industrielle RealIMotion et le logiciel DIGIMU développé par TRANSVALOR S.A. sont dédiés à cette thématique au service d'entreprises industrielles majeures telles qu'Aperam, ArcelorMittal, Aubert&Duval, Constellium, Framatome et Safran. Dans ce contexte, la modélisation robuste et efficace de l'évolution d'interfaces commes les réseaux de joints de grain est un sujet de recherche dynamique, ayant produit de nombreux modèles jusqu'à maintenant. Dans le contexte de la mise en forme à chaud, et lorsque le matériau subit de grandes déformations, un modèle prometteur de suivi de front 2D appelé ToRealMotion [1] a été récemment développé. Cette thèse a pour premier objectif d'étendre un modèle de capture de front [2,3,4] avec applications sur alliages de titane. Ce modèle est dédié à la modélisation des transformations de phases à l'état solide où les joints de grains, et la pression motrice résultante sont pris en compte. Le mûrissement d'Ostwald, la pression motrice conduisant à des formes complexes de phases secondaires, les mécanismes d'interaction entre les évolutions de particules de phases secondaires, ainsi que les interfaces de grains seront égale ment analysés. Un second objectif consistera également à intégrer les développements réalisés aux algorithmes de suivi de front de ToRealMotion [1]. Les développements seront intégrés au logiciel DIGIMU® . [1] S. Florez, K. Alvarado, D. Pino Muñoz and M. Bernacki. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 367:113107, 2020. [2] N. Chandrappa, M. Bernacki, CSMA 2022, https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03717571 [3] N. Chandrappa, M. Bernacki, A level-set formulation to simulate diffusive solid/solid phase transformation in polycrystalline metallic materials - Application to austenite decomposition in steels, Computational Materials Science, 216, 2023, https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2022.111840. [4] M. Bernacki, Kinetic equations and level-set approach for simulating solid-state microstructure evolutions at the mesoscopic scale: State of the art, limitations, and prospects, Progress in Materials Science, 142:101224, 2024, https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101224

One of the European Union's objectives in climate change consists of reaching net-zero greenhouse gas emissions by 2050. Such perspective puts the metallic materials industry, as a large contributor to carbon emissions, under tremendous pressure for change and requires the existence of robust computational materials strategies to enhance and design, with a very high confidence degree, new metallic materials technologies with a limited environmental impact. From a more general perspective, the in-use properties and durability of metallic materials are strongly related to their microstructures, which are themselves inherited from the thermo-mechanical treatments. Hence, understanding and predicting microstructure evolutions are nowadays a key to the competitiveness of industrial companies, with direct economic and societal benefits in all major economic sectors (aerospace, nuclear, renewable energy, naval, defense, and automotive industry). Multiscale materials modeling, and more precisely simulations at the mesoscopic scale, constitute the most promising numerical framework for the next decades of industrial simulations as it compromises between the versatility and robustness of physically based models, computation times, and accuracy. The DIGIMU consortium, the RealIMotion ANR Industrial Chair and the DIGIMU software package developed by TRANSVALOR S.A. are dedicated to this topic at the service of major industrial companies like Aperam, ArcelorMittal, Aubert&Duval, Constellium, Framatome and Safran. In this context, the efficient and robust modeling of evolving interfaces like grain boundary networks is an active research topic, and numerous numerical frameworks exist. In the context of hot metal forming and when large deformation of the calculation domain and the subsequent migration of grain boundary interfaces are involved, a new promising, in terms of computational cost, 2D front tracking method called ToRealMotion algorithms [1] was recently developed. This PhD will be firstly dedicated to the extension of existing numerical framework dedicated to the modeling of solid-state phase transformations where grain boundaries and subsequent driving pressures are taken into account. Pre-existing developments [2,3] in context of a level-set full-field formulation will be improved and this mechanism will also be integrated to the ToRealMotion front-tracking algorithms [1]. Ostwald ripening, adequate driving pressure leading to complex second phase particle shapes and interaction mechanisms between evolving second phase particles and grain interfaces will also be investigated. The developments will be tested/optimized thanks to experimental data concerning different alloys. The developments will be integrated in the DIGIMU® software. [1] S. Florez, K. Alvarado, D. Pino Muñoz and M. Bernacki. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 367:113107, 2020. [2] N. Chandrappa, M. Bernacki, CSMA 2022, https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03717571 [3] N. Chandrappa, M. Bernacki, A level-set formulation to simulate diffusive solid/solid phase transformation in polycrystalline metallic materials - Application to austenite decomposition in steels, Computational Materials Science, 216, 2023, https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2022.111840