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Sous-thème 1-3 :
Vers les grandes échelles (M. Založnik)

Contexte :

Les approches multi-échelles macroscopiques permettent de modéliser des processus solidification directement comparables aux procédés industriels. Leur objectif principal est d’analyser le couplage entre les phénomènes de transport à l’échelle du procédé (convection dans le liquide, transport de grains équiaxes) et la cinétique de croissance du solide (germination, développement des microstructures, leur texture et leur morphologie). Ces modèles reposent sur une description homogénéisée (par prise de moyenne volumique, par prise de moyenne d’ensemble, ou par la théorie des mélanges) de l’échelle microscopique. L’échelle macroscopique est alors représentée par des équations de transport moyennées. L’homogénéisation de l’échelle microscopique repose sur une série d'hypothèses relatives au développement de la microstructure lors de la solidification et à son interaction avec le transport de masse et de chaleur. Cette description repose notamment sur des modèles 1D analytiques, souvent en régime de diffusion, ou bien sur des hypothèses simplistes sur les effets de la convection à l’échelle microscopique et sur les interactions dans un groupe de grains en croissance.


(a)  ;
(b)

Objectifs

A la suite des développements réalisés au cours des 25 dernières années, les modèles multi-échelles macroscopiques ont atteint un degré de maturité qui permet maintenant d’accéder à une description fine des couplages entre les microstructures et le transport macroscopique par convection et également les liens entre les défauts de ségrégation chimique et les microstructures dans des procédés de coulée. Néanmoins, la capacité des simulations de fournir des résultats prédictifs et quantitatifs est dans la plupart des cas limitée par une description incomplète :
- de la cinétique de croissance des microstructures en présence de la convection tenant compte des effets collectifs ;
- des hétérogénéités à l’échelle mésoscopique : canaux dans la zone pâteuse, front de blocage par sédimentation de grains équiaxes, front de croissance d’une structure colonnaire.
L'objectif général de ce sous-thème est d'affiner les hypothèses de construction des modèles moyennés sur ces aspects. La démarche portera sur :
- la modélisation mésoscopique, dans des systèmes étendus, de la croissance des microstructures par automates cellulaires ou par dynamique d'enveloppe (en interaction étroite avec le Sous- thème 1.2) ;
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- la reconsidération des modèles macroscopiques par prise de moyenne volumique en présence d’hétérogénéités fortes et dans des régimes où les effets de l’inertie du liquide sont importants (aux faibles fractions de solide) ;
- les approches de type granulaire (par exemple la méthode des éléments discrets) pour l’étude de la dynamique de grains équiaxes mobiles, dans le régime dense et dans la zone de blocage ;
- le couplage fort de la modélisation méso- et macroscopique avec les observations in situ (interaction avec le Thème transverse), l’objectif étant à la fois la construction et la validation des modèles et l’analyse détaillée des observations expérimentales.

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.

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