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Deformation of steel ingots by punch pressing during their solidification. Numerical modelling and experimental validation of induced hot cracking and macrosegregation phenomena / Takao Koshikawa ; sous la direction de Michel Bellet et de Charles-André Gandin

Auteur principal : Koshikawa, Takao, 1980-....Auteur secondaire : : Bellet, Michel, chercheur en génie des matériaux, Directeur de thèse;Gandin, Charles-André, 19..-...., Directeur de thèse;Kurz, Wilfried;Le Corre, Steven, 1974-;Wu, Menghuai, 19..-...;Kajitani, Toshiyuki, 19..-...;Rivaux, Benjamin, 19..-...Auteur secondaire collectivité : Université de Recherche Paris Sciences et Lettres, Organisme de soutenance;École doctorale Sciences fondamentales et appliquées, Nice;Centre de mise en forme des matériaux, Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes;École nationale supérieure des mines, ParisPublication : 2016Dewey: 620.11Classification : 620Résumé : Ces travaux portent sur la déformation des aciers au cours de leur solidification, au moyen d'une expérience instrumentée et de sa simulation numérique. L'étude est focalisée sur deux phénomènes induits par la déformation : la fissuration à chaud et la macroségrégation. L'expérience consiste à poinçonner latéralement un lingot de 450 kg, alors que son cœur est encore partiellement liquide.L'expérience est instrumentée thermiquement et mécaniquement. Les lingots sont analysés, visuellement en termes de lieu et de fréquence d'apparition de fissures, et par microsonde pour les ségrégations chimiques.Pour la fissuration à chaud, une simulation numérique 3D par éléments finis est mise en œuvre avec le logiciel Thercast®, dans lequel a été implanté un critère d'amorçage de fissure basé sur la déformation plastique cumulée en fin de solidification, entre deux valeurs critiques de fraction de liquide. La comparaison entre simulations et observations montre le caractère prédictif du critère.La simulation numérique de la macroségré-gation est réalisée avec le logiciel R2sol qui résout simultanément la déformation du solide et l'écoulement du liquide. La simulation montre la redistribution des solutés dans le cœur du lingot sous l'effet de la compression du squelette solide et de l'écoulement du liquide, induits par le poinçonnement. Elle reproduit qualitativement les mesures expéri-mentales mais sous-estime l'amplitude des hétérogénéités de composition chimique. Une discussion des résultats permet de dégager des pistes permettant d'espérer une prédiction quantitative dans le futur.Les deux thématiques étudiées ont mis en relief la nécessité d'une bonne modélisation des phénomènes de microségrégation des alliages multiconstitués. Un modèle a été spécifiquement développé à cet effet.; Experimental and numerical studies of hot tearing and macrosegregation formation during steel solidification are reported. On one hand, an ingot punching test is considered. It consists of the application of a deformation at the surface of a solidifying 450 kg steel ingot. On the other hand, finite element thermo-mechanical modelling of the test is used.For hot tearing analysis, 3D finite element modeling is applied by use of Thercast® software. The time evolution of the strain tensor serves to evaluate the possibility for hot tear formation with a Hot Tearing Criterion (HTC). The HTC compares the local accumulation of strain over a certain solidification interval with the expression of a critical value proposed in the literature. Detailed comparisons reveal an excellent capability of the HTC to predict the formation of hot tears.For macrosegregation analysis, a two-phase formulation has been implemented (R2sol software), in which the velocities of the liquid and solid phases are concurrently solved for. The simulation shows how solutes are redistributed through the central mushy zone of the ingot under the effect of the com-pression of the solid phase resulting from the punching of the solid shell. The simulation proves its capability to reproduce the main experimental trends. However the predicted intensity of macrosegregation is lower than measured. Through discussion and analysis of different numerical sensitivity tests, critical material parameters and model improvements are identified in view of achieving better quantitative predictions in the future.The two topics studied have clearly shown the need for a good modelling of microsegregation phenomena in multicomponent alloys. A numerical model has especially been developed and implemented in the two software packages..Thèse : .Sujet - Nom d'actualité : Modèles mathématiques -- Thèses et écrits académiques ;Ségrégation (métallurgie) -- Thèses et écrits académiques ;Matériaux -- Thèses et écrits académiques ;Éléments finis, Méthode des -- Thèses et écrits académiques Ressource en ligneAccès au texte intégral | Accès en ligne | Accès en ligne
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Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice)

Partenaire(s) de recherche : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) (Laboratoire), École nationale supérieure des mines (Paris) (Etablissement de préparation de la thèse)

Autre(s) contribution(s) : Wilfried Kurz (Président du jury) ; Michel Bellet, Charles-André Gandin, Toshiyuki Kajitani, Benjamin Rivaux (Membre(s) du jury) ; Steven Le Corre, Menghuai Wu (Rapporteur(s))

Thèse de doctorat Sciences et génie des matériaux Paris Sciences et Lettres 2016

Ces travaux portent sur la déformation des aciers au cours de leur solidification, au moyen d'une expérience instrumentée et de sa simulation numérique. L'étude est focalisée sur deux phénomènes induits par la déformation : la fissuration à chaud et la macroségrégation. L'expérience consiste à poinçonner latéralement un lingot de 450 kg, alors que son cœur est encore partiellement liquide.L'expérience est instrumentée thermiquement et mécaniquement. Les lingots sont analysés, visuellement en termes de lieu et de fréquence d'apparition de fissures, et par microsonde pour les ségrégations chimiques.Pour la fissuration à chaud, une simulation numérique 3D par éléments finis est mise en œuvre avec le logiciel Thercast®, dans lequel a été implanté un critère d'amorçage de fissure basé sur la déformation plastique cumulée en fin de solidification, entre deux valeurs critiques de fraction de liquide. La comparaison entre simulations et observations montre le caractère prédictif du critère.La simulation numérique de la macroségré-gation est réalisée avec le logiciel R2sol qui résout simultanément la déformation du solide et l'écoulement du liquide. La simulation montre la redistribution des solutés dans le cœur du lingot sous l'effet de la compression du squelette solide et de l'écoulement du liquide, induits par le poinçonnement. Elle reproduit qualitativement les mesures expéri-mentales mais sous-estime l'amplitude des hétérogénéités de composition chimique. Une discussion des résultats permet de dégager des pistes permettant d'espérer une prédiction quantitative dans le futur.Les deux thématiques étudiées ont mis en relief la nécessité d'une bonne modélisation des phénomènes de microségrégation des alliages multiconstitués. Un modèle a été spécifiquement développé à cet effet.

Experimental and numerical studies of hot tearing and macrosegregation formation during steel solidification are reported. On one hand, an ingot punching test is considered. It consists of the application of a deformation at the surface of a solidifying 450 kg steel ingot. On the other hand, finite element thermo-mechanical modelling of the test is used.For hot tearing analysis, 3D finite element modeling is applied by use of Thercast® software. The time evolution of the strain tensor serves to evaluate the possibility for hot tear formation with a Hot Tearing Criterion (HTC). The HTC compares the local accumulation of strain over a certain solidification interval with the expression of a critical value proposed in the literature. Detailed comparisons reveal an excellent capability of the HTC to predict the formation of hot tears.For macrosegregation analysis, a two-phase formulation has been implemented (R2sol software), in which the velocities of the liquid and solid phases are concurrently solved for. The simulation shows how solutes are redistributed through the central mushy zone of the ingot under the effect of the com-pression of the solid phase resulting from the punching of the solid shell. The simulation proves its capability to reproduce the main experimental trends. However the predicted intensity of macrosegregation is lower than measured. Through discussion and analysis of different numerical sensitivity tests, critical material parameters and model improvements are identified in view of achieving better quantitative predictions in the future.The two topics studied have clearly shown the need for a good modelling of microsegregation phenomena in multicomponent alloys. A numerical model has especially been developed and implemented in the two software packages.

Configuration requise : un logiciel capable de lire un fichier au format : PDF

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