Modélisation à champ complet pour la recristallisation dynamique discontinue dans un contexte CPFEM

Full field modeling of discontinuous dynamic recrystallization in a CPFEM context

• Auteur / Autrice : David Alejandro Ruiz Sarrazola
• Direction : Marc Bernacki
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 07/12/2020
• 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, Javier Signorelli, Franz Roters, Daniel Humberto Pino Munoz, Aurore Montouchet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Delannay, Lukasz Madej

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recristallisation (métallurgie)

Éléments finis, Méthode des

Modèles mathématiques

Matériaux

Mots clés libres

Modèle en champ complet

Plasticité Cristalline

Acier 304L

Level-Set

Méthode des éléments finis

Recristallisation Dynamique

Full field model

Finite element method

Crystal plasticity

Level-Set

Dynamic recrystallization

304L Steel

Résumé

La recristallisation dynamique (DRX) est l'un des principaux phénomènes métallurgiques responsable de l'évolution de la microstructure des matériaux métalliques survenant lors de luer mise en forme à chaud. Comprendre et prévoir ce phénomène physique est d'une importance primordiale car la microstructure résultante est en général directement responsable des propriétés finales du matériau. Ainsi, de nombreux modèles phénoménologiques (de type JMAK par exemple) visant à décrire la DRX ont été développés dans l'état de l'art. Cependant, en raison de la complexité des mécanismes impliqués 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 type champ complet sont nécessaires. La plupart des modèles DRX en champ complet ont des limites dans leur capacité à modéliser une déformation élevée (ce qui les rend en général inutilisable pour des chemins thermomécaniques industriels) et dans la description de la déformation plastique (souvent très simplifié). Dans cette thèse, un nouveau modèle à champ complet pour la recristallisation dynamique discontinue (DDRX) est proposé en couplant une méthode éléments finis de plasticité cristalline (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 simplifie (approximation CP Taylor). Tous ces développements sont réalisés dans un module CPFEM générique facilement utilisable dans n'importe quel code EF.

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 generally when precise calculations are aimed. Most DRX full field models have limitations in their ability to model high deformation (which limits their applicability for real industrial thermomechanical treatments) and in 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.