Modélisation de la mise en place des structures et des ségrégations

Sujet de thèse
Modélisation de la mise en place des structures et des
ségrégations chimiques pendant la solidification de lingots
d’acier
Equipe SOLIDIFICATION, Institut Jean Lamour, UMR 7198, CNRS – Université de Lorraine
(Directeurs de la thèse : Hervé COMBEAU (IJL), Charles-André Gandin (CEMEF), Miha Zaloznik (IJL))
Face à la concurrence mondiale, les sidérurgistes français doivent innover en permanence pour
proposer des produits de plus en plus performants. Un des défis actuels, pour les marchés du transport
et de l’énergie, est la fabrication de pièces présentant une très grande homogénéité de propriétés
(caractéristiques mécaniques et propriétés d’utilisation en service). Pour cela, une étape clé de la
fabrication en sidérurgie réside dans la solidification des lingots.
L’opération de coulée représente ainsi une phase importante dans la fabrication d’un produit
métallurgique. Elle influence la qualité de surface du produit, la santé interne du métal, les
caractéristiques du matériau final, et ses propriétés de tenue en service. Les structures de solidification
et les phases formées, la compacité et les hétérogéneités chimiques (micro, macroségrégations) sont
des phénomènes fortement liés : agir sur l’un permet ainsi d’agir sur les autres. Or la maîtrise de ces 4
caractéristiques représente un enjeu important pour les sidérurgistes français car elles ont une forte
influence sur la forgeabilité, la mise au mille, le pourcentage de rebut, la définition de la gamme de
fabrication, et par conséquence sur les coûts et délais. Bien souvent, la qualité des lingots est
insuffisante et elle ne répond pas aux besoins exigés par les bureaux d’étude ou par les clients, posant
ainsi des problèmes majeurs de non-conformité.
Le savoir-faire dans ce domaine est le plus souvent acquis de manière empirique ce qui rend très
difficile sa transmission et sa capitalisation au sein de l'entreprise. Les industriels ont de plus en plus
recours à la simulation numérique pour palier à certains de ces problèmes lors de la conception.
Cependant, les logiciels à caractère industriel disponibles sur le marché ne répondent que
partiellement aux attentes et problématiques de l'industrie dans ce domaine car leurs modèles
physiques restent généralement trop simplistes et ne sont alors pas suffisamment prédictifs.
A l’institut Jean Lamour, une plateforme de modélisation 2D : SOLID, permettant la prise en compte
des principaux phénomènes de transfert de chaleur, de masse et de quantité de mouvement avec
changement de phase liquide-solide est développée depuis de nombreuses années dans l’équipe
‘Solidification’ en partenariat avec un consortium d’industriels. Les derniers développements du
modèle SOLID ont porté sur la prédiction des structures et des macro-ségrégations pour les lingots
d’acier et plus particulièrement sur la transition colonnaire-équiaxe (thèse de Nicolas LERICHE). Ces
travaux ont montré l’importance de la prise en compte du type de structures formées colonnaire et
équiaxe ainsi que du mouvement des grains équiaxes en termes de prédiction des macroségrégations.
Nous avons acquis maintenant une bonne maîtrise de la modélisation des phénomènes de transferts
de chaleur de masse et de quantité de mouvement se développant sur plusieurs échelles
caractéristiques spatiales et temporelles avec changement de phase ilquide-solide. Nous avons
également montré l’efficacité de la méthode numérique que nous avons élaborée pour résoudre le
système d’équations aux dérivées partielles résultant. La prise en compte de la complexité des alliages

industriels (nombre d’éléments d’alliage) et la prédiction des phases formées pendant la solidification
constituent les limitations actuelles de notre modèle pour les applications industrielles. C’est ce qui
motive et constitue les objectifs de cette thèse.
Cette thèse s’intègre dans un projet de recherche collaboratif de type FUI: SOFT-DEFIS, regroupant 9
partenaires industriels : Industeel-Mittal, Aubert et Duval, Asco Industries, APERAM, ARSA, AFFIVAL
SAS, Science et Computer Consultants, Transvalor, IXTREM et deux laboratoires universitaires :
l'Institut Jean Lamour (IJL) et le Centre de Mise en Forme des Matériaux (CEMEF). Il s’agira de mettre
au point un modèle de croissance des grains (colonnaires et équiaxes) prenant en compte la
transformation péritectique pour des alliages multi-constitués, pouvant être couplé avec des calculs
d’équilibre thermodynamique de façon à tenir compte de l’aspect multi-constitué des alliages
industriels. Ainsi ce nouveau modèle permettra la prédiction des phases formées pendant la
solidification ce qui constitue une information importante pour la prédiction des propriétés
mécaniques. Il s’agira de décrire les phénomènes de diffusion des espèces chimiques dans les
différentes phases ainsi que la formation ou régression des phases par des approches se basant sur
une estimation des flux aux interfaces entre les phases à partir de l’écart entre la composition moyenne
de l’espèce chimique dans la phase et sa composition à l’équilibre thermodynamique (le plus
généralement) à l’interface.
Personnes à contacter :
Hervé COMBEAU
- Tél : [phone]
- E-Mail : herve.co[email protected]
Miha ZALOZNIK
- Tél : [phone]
- E-Mail : miha.z[email protected]
- Laboratoire/Localisation : Institut Jean Lamour, Département SI2M, équipe 302 Solidification,
Parc de Saurupt, Nancy, 1er étage bureau 216 (http://www.ijl.univ-lorraine.fr/la-
recherche/departement-si2m/solidification.html)