Modèle par Éléments Discrets du comportement des

Modèle par Éléments Discrets du comportement des matériaux
métalliques sous sollicitations thermomécaniques extrêmes
(*) Contact : moubarak,[email protected]
Moubarak GADO*
Directeur de thèse: Ivan IORDANOFF, co-encadrants: Jean-Luc CHARLES, Dominique COUPARD
Arts et Métiers ParisTech, I2M,CNRS, Esplanade des Arts et Métiers - 33405 Talence cedex – France
Originalité & Verrous scientifiques
Problématique & objectifs
 Méthode des Eléments Discrets - Friction Stir Welding,
Plasticité - Précipitation - Alliages d’aluminium Durcissement par précipitation
 Objectifs
 Mettre en place un modèle métallurgique prédisant l’évolution
microstructurale en fonction d’un chargement thermique
Élaborer les modèles requis à l’échelle de la microstructure permettant de prévoir la
modification des propriétés de la matière (module d’Young, dureté, comportement,
..,) liées aux paramètres du procédé.
 Développer un modèle par éléments discrets couplant le
comportement thermomécanique élastoplastique à l’évolution
métallurgique locale en fonction des sollicitations mécanothermiques
Matériau étudié
Étude bibliographique
 Alliage d’aluminium 2024 T351 :
 Bon compromis entre résistance à la fatigue et tenue
à la fatigue  très intéressant pour les applications
aéronautiques
 Alliage à durcissement structural: propriétés
mécaniques étroitement liées à l’état de précipitation
 La séquence de décomposition d’une solution solide sursaturée
dans l’alliage d’aluminium 2024 est très controversée [1,2,3]
 Les modélisations par éléments discrets permettent d’aborder
les comportements thermomécaniques complexes pour lesquels
les modèles basés sur la mécanique des milieux continus sont
peu adaptés[4]
 Composition chimique massique
[1] Khan et al. , (2008) A model for precipitation kinetics and hardening in Al-Cu-Mg alloys. Materials Science and Engineering A, 472, (1-2), 66-74
[2] Kovarik L, Court SA, Fraser HL, Mills MJ. Acta Mater 2008;56:4804–15
Elément
Cu
Mg
Si
Mn
Zn
Fe
Ti
Cr
Ni
Pb
Al
Moy (%)
4.11
1.30
0,08
0.47
0.22
0,18
0,03
100 ppm
<100 ppm
< 100 ppm
93,7
[3] S. C. Wang, M. J. Starink,(2005) Precipitates and intermetallic phases in precipitation hardening Al-Cu-Mg-(Li) based alloys. International Materials
Reviews, 50(23) :193–215.
[4] Inigo Terreros,Phd thesis, Modélisation DEM thermo-mécanique d’un milieu continu
blabla
Démarche
 Modélisation de la précipitation
•
•
•
•
•
Prise en compte des différentes grandeurs thermodynamiques
Etude des mécanismes de germination
Etude et modélisation de la cinétique de précipitation
Etablissement d’une loi d’évolution de la distribution des précipités
Implémentation d’un code de calcul autonome pour la précipitation
Energie de changement de phase
Energie d’interface
Energie de distorsion élastique
Flux de germination
𝑟 ∗ 𝛥𝐺𝑉 , 𝛥𝐺𝑒𝑙 , 𝛾𝑝−𝑠𝑠 , 𝛼 → 𝛥𝐺 ∗
 Relation état de précipitation/propriétés mécaniques
𝐽 = 𝑁𝑍𝛽 exp
Δ𝐺 ∗
− 𝑘𝑇
𝑡
1 − exp − 𝜏
 Validations expérimentales
Approche Orientée Objet du modèle métallurgique
Programme
Python/C++
Bibliothèque dédiée
aux concepts liés à
la métallurgie
Perspectives
 Etude de la morphologie des précipités, et des paramètres auxquels sont
très sensibles les résultats(Energie de surface, désaccord de paramètres
de maille, etc.)

Etude expérimentale ( TEM, Microscope ionique à effet de champ, SAXS,
Analyse enthalpique et thermique différentielle, etc.)
 Prise en compte de la plasticité avec la méthode des éléments discrets
+
Couplage avec Calcul DEM
Couplage programme Python/C++ du modèle métallurgique
avec calcul DEM GranOO
 Modélisation thermomécanique avec prise en compte des phénomènes
métallurgiques lors de la phase de descente d’un pion dans la matière
 Application : Vers la modélisation thermomécanique du FSW avec la
DEM (GranOO) et le code de calcul autonome pour la précipitation