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Actualités scientifiques


17 septembre 2018


Modéliser les mouvements des joints de grains pendant le traitement thermomécanique d'un métal



Les traitements thermomécaniques réalisés dans l'industrie sur des pièces métalliques induisent des modifications de la microstructure du métal. Un nouveau modèle développé au Centre des matériaux, qui couple pour la première fois deux approches jusqu'ici séparées, permet de simuler simultanément la déformation du métal et la croissance des grains ou leur recristallisation. Ces résultats sont publiés dans le Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

Les industriels effectuent des opérations comme le laminage à chaud pour mettre en forme une tôle ou une pièce métallique. Mais ces traitements thermomécaniques induisent aussi des modifications de la microstructure du métal. Jusqu'ici, les deux phénomènes sont modélisés séparément : aucune théorie des champs unifiée ne peut simuler à la fois la déformation du métal et la croissance des grains ou leur recristallisation. Pour la première fois, une équipe de chercheurs menée par le Centre des matériaux (CDM, CNRS/Mines ParisTech PSL Research University)1 a réalisé une modélisation simultanée des déformations du métal et de la migration des joints de grains.

Pour obtenir ce résultat, les chercheurs ont couplé l'approche dite « des champs de phase », utilisée en physique pour modéliser les transformations de phase (notamment le mouvement des joints de grains dans un polycristal), avec une théorie de déformation des milieux continus publiée en 1909 par les frères Cosserat. Cette théorie mathématique, bien connue en mécanique, permet de rendre compte du déplacement de chaque point matériel et de la rotation locale du réseau cristallin dans un matériau qui subit une déformation. Le nouveau modèle unifié combine les jeux d'équations des deux méthodes de calcul, en utilisant une même variable pour décrire l'orientation des grains.

Cette nouvelle approche devrait déboucher sur une meilleure compréhension de la formation de certaines textures résultant de traitements thermo-mécaniques, en particulier la germination de nouveaux grains. Dans une première étape, les chercheurs veulent d'abord effectuer des simulations plus réalistes, incluant de nombreux cristaux et réalisées en trois dimensions. A plus long terme, pour les industriels, la modélisation couplée ouvre la voie à de nouveaux traitements des métaux, dans le but d'obtenir une microstructure optimisée pour chaque application.

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1 Anna Ask, post-doctorante au Centre des Matériaux, a bénéficié pour ce projet d'un financement Marie Sklodowska Curie Horizon 2020. L'étude a été menée en collaboration avec l'Institut Jean Lamour (CNRS/Université de Lorraine), le Laboratoire d’Etude des Microstructures (CNRS/Onera), et le Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux (CNRS/Université Paris Nord).


© CDM
© CDM
Microstructure plane d'un polycristal métallique montrant les grains dans leur état initial (en haut à gauche) et l'évolution de ces grains après traitement thermique (en haut à droite), les couleurs indiquant les différentes orientations cristallines des grains. Les joints de grains sont visibles sur les figures du bas, en bleu. Ils ont migré entre l'état initial à gauche et l'état final à droite (source : thèse Guillaume Abrivard, Mines ParisTech).



Références :

A Cosserat crystal plasticity and phase field theory for grain boundary migration,
A. Ask, S. Forest, B. Appolaire, K. Ammar and O. U. Salman
Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Volume 115, June 2018, Pages 167-194 (2018)
DOI : https://doi.org/10.1016/j.jmps.2018.03.006



Contact chercheur :

Samuel Forest - Centre des Matériaux


Contact communication INSIS :
insis.communication@cnrs.fr



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