Modélisation du lien entre microstructure, traitement thermomécanique et performance mécanique de produits réfractaires

Modeling the link between microstructure, thermomechanical treatment and mechanical performance of refractory products

• Auteur / Autrice : Julia Cristina Guimaraes de Carvalho Bonaldo
• Direction : Christophe Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 21/01/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Louis Vignoles
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Pizette, Claire Silvani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Louis Vignoles, Mohamed Guessasma

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux céramiques

Éléments finis, Méthode des

Méthode des éléments discrets

Mots clés libres

Compactage de la poudre

Méthode des éléments discrets

Performance mécanique

Analyse des éléments finis

Matériaux céramiques

Discrete element method

Finite element analysis

Mechanical performance

Ceramic materials

Powder compaction

Résumé

Les réfractaires en alumine et graphite sont des composites granulaires hétérogènes et complexes composés d'alumine grossière, de pastilles de graphite et d'une matrice (mélange de grains fins d'alumine et de liant). Ces composites sont utilisés pour les applications de coulée de l'acier. Les propriétés finales des réfractaires sont dictées à la fois par les propriétés des composants et par les étapes de traitement (mélange, compactage et traitement thermique). Selon la forme finale de la pièce industrielle, le composite en poudre peut être compacté de manière isostatique ou uniaxiale. Le compactage peut conduire à des gradients de densité le long de la pièce, ce qui entraîne une dicontinuité des propriétés thermo-mécaniques et, par conséquent, une concentration de contraintes et une possible rupture pendant le traitement thermique. Des efforts ont été déployés pour la modélisation du comportement constitutif de la compaction des pièces industrielles réfractaires par la méthode des éléments finis (FEM) en utilisant des modèles élastoplastiques. Cependant, les paramètres matériau de ces modèles doivent être identifiés par des expériences complexes. La méthode des éléments discrets (DEM) peut être une alternative pour fournir ces paramètres. La DEM peut modéliser l'étape de compactage et les propriétés mécaniques finales du composite compacté en prenant explicitement en compte la nature discrète de la poudre. De plus, la DEM peut être appliquée pour générer des équations constitutives afin de simuler la compaction à l'échelle macro en utilisant la FEM. Dans ce travail, nous développons un modèle numérique basé sur le DEM pour simuler le comportement à la compaction de poudres composites et leurs propriétés mécaniques après compactage et cuisson. Il est basé sur des observations de tomographie aux rayons X, et des données expérimentales provenant de tests de compaction et d’essais triaxiaux. Les paramètres d'entrée de la DEM sont calibrés sur les données expérimentales de compactage. Quatre composites sont représentés comme un mélange de particules discrètes (alumine fine), de clusters de particules (alumine grossière et graphite) avec différentes fractions volumiques. Le liant est représenté par une coque élastique souple recouvrant des particules d'alumine grossières et fines. Le comportement pendant le compactage et les propriétés à vert dépendent principalement du contact entre ces particules enrobées. Les échantillons numériques compactés sont soumis à divers états de contraintes complexes pour générer des surfaces de plasticité et de rupture ajustées par le modèle élasto-plastique Drucker-Prager Cap (DPC). Après le compactage, les échantillons numériques sont virtuellement cuits en DEM, et leur comportement à la fracture est étudié. Les comportement mécanique au compactage, les comportements à vert et après-cuisson sont comparés aux données expérimentales. Les résultats sont en bon accord à la fois qualitativement et quantitativement. En particulier, les simulations saississent bien l'effet adoucissant d'une quantité croissante de liant. Enfin, une tentative de modélisation du comportement de la compaction du composite dans une matrice rigide à l`aide de la FEM est présentée. Elle utilise le modèle DPC avec les paramètres du matériau identifiés par DEM. Ce modèle pourra être utilisé à l'avenir pour le compactage de pièces industrielles.

Carbon-bonded alumina refractories are heterogeneous and complex granular composites made of coarse alumina, graphite pellets, and a bonding matrix (mixture of fine alumina grains and binder). These composites are used for steel casting applications. The final refractory properties are governed both by the properties of the components and by the processing stages (mixing, compaction, and firing). Depending on the final shape of the industrial part, the powder composite may be compacted isostatically or uniaxially. The compaction may lead to density gradients along the geometry resulting in thermo-mechanical properties mismatch and, consequently, stress concentration and failure during the firing process. Efforts have been devoted to modeling the constitutive compaction behavior of refractory industrial parts by the Finite Element Method (FEM) using elastoplastic models. However, the material parameters of such models need to be identified by complex experiments. The Discrete Element Method (DEM) may be an alternative to provide such parameters. The DEM can model the compaction stage and the compacted composite final mechanical properties by explicitly taking into account the discrete nature of the powder. Also, DEM may be applied to generate constitutive equations to simulate the compaction at the macro scale using the FEM. In this work, we develop a numerical model based on the DEM to simulate the compaction behavior of powder composites and their mechanical properties after compaction and firing. It is based on X-ray tomography observations and experimental data originating from compaction and triaxial tests. The mechanical input parameters of the DEM are calibrated on experimental compaction data. Four different composites in DEM are represented as a mixture of single particles (fine alumina), particle clusters (coarse alumina and graphite) with various volume fractions. The binder is represented by a soft elastic shell covering hard coarse/fine alumina particles. The densification behavior during compaction and the green properties depend mostly on the contact between those coated particles. The compacted numerical samples are submitted to various complex stress state conditions to generate yield and fracture surfaces fitted with the elastoplastic Drucker-Prager Cap model (DPC). Following the compaction, the compacted numerical samples are virtually fired in DEM, and their mechanical and fracture behavior is presented. The compaction, green, and after-firing mechanical behavior are compared with experimental data. The results are in good agreement both qualitatively and quantitatively. In particular, the simulations capture the softening effect of an increasing amount of binder. Finally, an attempt to model the composite compaction behavior in a rigid die using the FEM is presented. It uses the DPC model with the material parameters identified by DEM. This model may be used in the future for the compaction of industrial pieces.