Modélisation de la croissance des structures de Widmanstätten par la méthode des champs de phase - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2018

Modelisation of the Widmanstätten structure growth by the phase field method

Modélisation de la croissance des structures de Widmanstätten par la méthode des champs de phase

Résumé

Metallic alloys developed for structural applications are usually multiphase materials. The complex arrangement of the phase domains, called microstructure, strongly influences the mechanical properties. To optimise these properties, it is therefore important to understand the formation and evolution of the microstructures. The present work is devoted to a specific type of microstructures, called Widmanstätten structures. They are observed in many metallic alloys (steel, brass, titanium alloys, aluminum alloys ...). They are acicular and their growth, linear in time in isothermal conditions, is driven by the diffusion of alloying elements.Yet, the usual growth model of these structures fails to predict both the tip velocity and its radius of curvature. In addition, this description does not consider the development of internal strain fields, which are usually generated during a phase transformation at the solid state. The aim of the present work is precisely to contribute to a better understanding of the growth mechanisms of Widmanstätten structures. To achieve this, we have developed several phase field models to analyse the importance of the chemical, elastic and plastic driving forces. First, using a model transformation strain, we have shown that the anisotropy of the elastic energy plays a key role on the singular growth kinetics of Widmanstätten structures, in both 2D and 3D. In addition, we have demonstrated that the tip radius of curvature does not significantly depend on the dynamical processes and that its value is prescribed by the competition between interfacial and elastic energy. Then, we have demonstrated the ability of our phase field model to correctly describe the growth of acicular morphologies in titanium alloys. In these alloys, the importance of the anisotropy of the elastic tensor is highlighted. Then, we have developed specific phase field models to analyse the consequences of two plastic relaxation mechanisms. The first one is the formation of misfit dislocations at the precipitate matrix interface, and the second one is the plastic behaviour of the matrix. Our results show that the stationary growth obtained when only elasticity is accounted for is still predicted with plastic relaxation : plasticity only reduces the growth velocity and increases the radius of curvature of the precipitate tip. Finally, the last part of this work has been devoted to the development of a numerical approach, at a finer scale, able to describe the nucleation and growth of steps at the precipitates-interface, which are sometimes observed in Widmanstätten structures. Preliminary results, based on a non conserved dynamics are presented.
Les alliages métalliques développés pour les applications structurales sont souvent multiphasés. L’arrangement complexe de ces phases constitue la microstructure de l’alliage qui conditionne fortement ses propriétés mécaniques. Afin d’optimiser ces propriétés, il est important de comprendre comment les microstructures apparaissent et évoluent. Cette étude porte sur une microstructure en particulier, les structures de Widmanstätten. Elles sont observées dans un très grand nombre d’alliages métalliques (aciers, laitons, alliages de titane, d’aluminium ...). Elles sont aciculaires et leur croissance, linéaire en temps en conditions isothermes, est pilotée par la diffusion des éléments d’alliage. Or, la description usuelle de cette croissance ne permet pas de prédire à la fois le rayon de courbure de la pointe et sa vitesse de croissance. Par ailleurs, elle ne prend pas en compte les champs de déformation générés par la transformation de phase à l’état solide. L’objectif de ces travaux est donc d’améliorer la compréhension des mécanismes de croissance de ces structures. Pour cela, nous avons développé plusieurs modèles champ de phase pour analyser l’importance de l’élasticité et la plasticité. Tout d’abord, en utilisant un tenseur de déformation libre générique, nous avons montré que l’anisotropie de l’énergie élastique joue un rôle clé sur la croissance des structures de Widmanstätten, en 2D et en 3D. Nous avons également mis en évidence que le rayon de courbure de la pointe ne dépend pas significativement d’un processus dynamique et que sa valeur résulte de la compétition entre énergie élastique et énergie d’interface. Pour des alliages de titane, nous avons ensuite montré que notre modèle rend bien compte de la taille de ces structures. Dans ces alliages, nous avons observé que cette taille dépend aussi de l’anisotropie des constantes élastiques. Nous avons ensuite développé deux modèles pour étudier le rôle joué par deux mécanismes différents de relaxation par déformation plastique. Le premier est la présence de dislocations d’accommodation à l’interface entre matrice et précipité, et le second est l’activité plastique dans la matrice. Notre étude montre que la croissance reste linéaire en temps en présence de plasticité, celle-ci intervient en réduisant la vitesse de croissance et en augmentant la taille des structures. Enfin, nous avons développé un formalisme à une échelle plus fine capable de décrire la nucléation et la croissance de marches, souvent observées dans les structures de Widmanstätten. Ce manuscrit présente nos premiers résultats pour un champ non-conservé.
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tel-02291113 , version 1 (18-09-2019)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02291113 , version 1

Citer

Hocine Lebbad. Modélisation de la croissance des structures de Widmanstätten par la méthode des champs de phase. Sciences de l'ingénieur [physics]. SORBONNE UNIVERSITE, 2018. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02291113⟩
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