GDR SOLIDIFICATION > Thèmes de recherche > Approches multi-échelles > Sous-thème 1-2
Sous-thème 1-2 :
Des microstructures à l’échelle mésoscopique (M. Plapp)

Contexte :

La méthode du champ de phase s'est établie, depuis une quinzaine d'années, comme la meilleure méthode de simulation pour la solidification à l'échelle des microstructures. De nos jours, il est possible de simuler (avec un effort de calcul raisonnable), en trois dimensions et de manière quantitative, quelques cellules ou lamelles eutectiques, ou encore une grande dendrite. Des projets de recherche intéressants sont liés aux efforts en cours (à l'échelle mondiale) de développer une vraie méthodologie multi-échelle pour la simulation de matériaux (ICME, integrated computational materials engineering). En effet, la théorie de champ de phase est phénoménologique par nature et ne peut pas prendre en compte les détails atomistiques. La capacité d'une simulation de champ de phase de fournir des résultats prédictifs dépend donc de la connaissance de multiples paramètres qui doivent être fournis soit par des mesures, soit par des calculs microscopiques (dynamique moléculaire). Il s'agit en premier lieu des propriétés des interfaces (énergie et cinétique) et des coefficients de diffusion (surtout dans le liquide). Si quelques travaux ont été menés avec succès sur la modélisation multi-échelle (dynamique moléculaire+champ de phase) de substances pures, beaucoup de progrès restent encore à faire pour les mélanges. Par ailleurs, des simulations par champ de phase sur des échelles macroscopiques, pertinentes pour la métallurgie, resteront hors de portée même avec des moyens de calcul conséquents.


(a) Simulation de l’évolution d’une goutte d’étain (impact et solidification) (TREFLE) ;
(b) Transitions front-plan/cellule/dendrite au cours de la solidification d’une goute d’alliage Fe-Ni ( IJL)

Objectifs

Pour aller plus loin, il serait donc intéressant de faire un « pont » avec des méthodes utilisées avec succès sur les échelles plus grandes, par exemple les méthodes mésoscopiques d’automates cellulaires (Ch.- A. Gandin) ou de dynamique d'enveloppe (M. Zaloznik). Dans cette optique, les calculs par champ de phase serviraient comme point de départ pour raffiner ou développer les paramétrages utilisés dans les modèles à plus grande échelle. Un groupe informel nommé « Upscale » s'est déjà formé au sein du GDR ; ses participants se réunissent une fois tous les 6 mois pour échanger des informations et idées et pour approfondir le contact entre les échelles.! Finalement, mentionnons aussi le potentiel énorme qu'offre la comparaison directe entre simulations à l'échelle de la microstructure et les expériences in situ. Sur ce sujet, des collaborations existent déjà au sein du GDR (INSP/PMC sur les eutectiques, IM2NP/CEMEF pour les grains dendritiques) ou à l'international (L2MP/A. Karma, Boston, sur les cellules) et ont obtenu de beaux succès. Ce type de recherche sera continué et approfondi dans les années à venir, notamment grâce à des collaborations européennes

Microstructures de solidification observées au niveau de l’assemblage hétérogène Ti-Ta ;
liquation d’une particule de tantale (SEM – BSE) (ICB – Le Creusot – IJL)


Equipes concernées : ICMCB, LSMX, PIMM, Centre des matériaux, SIMAP, IJL, TREFLE, ICB- Le Creusot, CEMEF.

GDR Solidification - 2015-2018 - nous contacter - crédits