COULEE D ALLIAGES METALLIQUES : MODELISATION DES STRUCTURES ET SEGREGATIONS CHIMIQUES

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1 Formation doctorale: Science et Génie des Matériaux OU Mécanique Numérique COULEE D ALLIAGES METALLIQUES : MODELISATION DES STRUCTURES ET SEGREGATIONS CHIMIQUES Contexte La figure ci-dessous donne une illustration (à gauche) des structures solides et (à droite) des ségrégations chimiques formées lors de la coulée d un alliage métallique. Sont observées une zone à structure dendritique allongée, dite colonnaire, située en périphérie du lingot coulé, et une zone à structures dendritiques plus isotropes, dite équiaxe, située au centre du lingot. A chaque zone correspond une fraction de phase dendritique, une fraction de phases interdendritiques et un niveau de composition en éléments d alliages qui diffèrent, pouvant passer sur l axe central du lingot de 0,16 %pds C dans la partie inférieure à plus de 0,7 %pds C dans la partie supérieure, pour une composition nominale de l alliage de 0,22 %pds C approximativement conservée dans la zone colonnaire. La solidification, branche de la métallurgie physique, est le domaine scientifique qui étudie la formation de ces hétérogénéités structurales et chimiques. Pour ce faire, elle s appuie largement sur la modélisation numérique des échanges de masse, d énergie et de quantité de mouvement. Un consortium d industriels français exploitant des procédés de solidification s est créé pour étudier ces phénomènes. L objectif est de mieux appréhender et contrôler les variations structurales et chimiques par le développement d un outil numérique. Le Centre de Mise en Forme des Matériaux ( et la société TRANSVALOR ( développent et commercialisent le logiciel THERCAST utilisé par ce consortium d industriels. Comme détaillé ci-dessous, les travaux de thèse ont pour but de perfectionner le module métallurgique du logiciel THERCAST. Objectif Le travail consistera à modéliser la germination et la croissance des grains colonnaires et équiaxes, leur compétition, et leur interaction avec les mouvements de la phase liquide qui induisent les macroségrégations. La difficulté réside dans la nécessité d ajouter au formalisme des équations différentielles à résoudre la présence d une phase solide en mouvement de par le transport convectif du liquide et la sédimentation - la structure équiaxe - et de faire coexister sa résolution numérique avec celle d une phase solide - la structure colonnaire - dont le mouvement est dû à la déformation thermomécanique. Le travail de modélisation sera piloté par les directeurs de thèse, et bénéficiera d un coencadrement de l Ecole des Mines de Nancy, déjà expérimentée dans ce domaine. Plus précisément, les développements du module métallurgique seront menés dans la plateforme de développements CimLib qui inclut des solveurs éléments finis et des techniques avancées de r lage et de calculs parallèles. TRANSVALOR sera chargée de l implémentation du module dans une version commerciale de THERCAST.

2 Mots-clé Type de projet / collaboration Profil et compétences recherchés Salaire Lieu Equipes Solidification, Modélisation, Eléments finis Consortium d industriels français (ARCELORMITTAL- RESEARCH, ARCELORMITTAL-INDUSTEEL, ASCOMETAL, AUBERT&DUVAL, Centre Technique des Industries de la Fonderie, ARCELORMITTAL STAINLESS & ALLOYS) Ingénieur en science des matériaux ou équivalent, avec connaissance et expertises en méthodes numériques, langage de programmation C++ Environ brut par an MINES-ParisTech, Centre de Mise en Forme des Matériaux, UMR CNRS 7635, Sophia Antipolis, France Structures et Propriétés dans les Procédés de Solidification (SP2) Thermomécanique et Plasticité (TMP)

3 Doctorate programme: Materials Science and Engineering OU Computational Mechanics CASTING OF METALIC ALLOYS: MODELLING OF STRUCTURES AND CHEMICAL SEGREGATIONS Context The figure below gives an illustration of (left) the solid structures and (right) the chemical segregations formed during casting of a metallic alloy. A zone with an elongated structure, called columnar, is located at the periphery of the ingot. A zone with more isotropic dendritic structures, called equiaxed, is located at the centre of the ingot. To each zone are associated a fraction of the dendritic phase and a fraction of the interdendritic phases. The composition of the alloying elements varies at the centre of the ingot, from 0.16 wt% C in the lower part to 0.7 wt% C in the upper part, for a nominal composition of 0.22 wt% C approximately retrieved in the columnar zone. Solidification is the scientific domain of physical metallurgy that studies the formation of these structural and chemical heterogeneities. It heavily relies on numerical modelling of the exchanges of mass, energy and momentum. A consortium of French industries using solidification processes has formed to study these phenomena. The objective is to better understand and control the structural and chemical variations through the development of numerical tools. The Center for Materials Forming ( and the company TRANSVALOR ( develop and commercialize the software THERCAST used by the consortium of industries. As detailed below, the Ph. D. thesis aims to improve the metallurgical module of the software THERCAST. Objective The work will consist of modelling nucleation and growth of columnar and equiaxed grains, their competition, and their interaction with the movement of the liquid phase that leads to macrosegregations. The difficulty lies in the need to add the presence of a moving solid phase to the usual formalism of the partial differential equations, thus taking into account not only the convective transport of the liquid and solid phases but also the sedimentation of the equiaxed structure. The numerical solution of the problem requires the coexistence of a solid mechanics formulation to describe the themomechanical deformation of the columnar structure with a fluid mechanics formulation for the transport of the equiaxed structure. The modelling work will be lead by the thesis directors and will benefit a co-direction by the Ecole des Mines de Nancy, already experienced in this field. More precisely, the developments of the metallurgical module will be conducted in the software library CimLib that already includes finite element solvers, advanced remeshing techniques and parallel calculations. TRANSVALOR will be in charge of the implementation of the metallurgical module in the commercial version of THERCAST.

4 Key-words Project category / cooperation Skills, abilities requested Gross salary Location CEMEF teams Solidification, Modelling, Finite elements Consortium of French industries (ARCELORMITTAL- RESEARCH, ARCELORMITTAL-INDUSTEEL, ASCOMETAL, AUBERT&DUVAL, Centre Technique des Industries de la Fonderie, ARCELORMITTAL STAINLESS & ALLOYS) Engineer in materials science or equivalent, with knowledge and skills in numerical methods, C++ programming language per year MINES-ParisTech, Centre de Mise en Forme des Matériaux, UMR CNRS 7635, Sophia Antipolis, France Structures and Properties in Solidification Processing (SP2) Thermomechanics and Plasticity (TMP)

5 Informations complémentaires à la diffusion : 1/ Nom du ou des directeurs de thèse : Charles-André GANDIN, Michel BELLET 2/ Domaine (s) de recherche de la thèse : Modélisations Métallurgique et Numérique des Procédés de Solidification 3/ Remarques particulières : Double compétence Matériaux et Modélisation Informations pour la diffusion de votre sujet de thèse : Votre sujet est systématiquement diffusé sur le site web du CEMEF, de l Ecole et de l ABG. * Votre sujet est-il à mettre sur les sites web externes : Master Matériaux INSA Lyon (R = Matériaux innovants / P = cycle de vie des matériaux) Academic Jobs EU Euraxess : EC researchers in motion site computational fluid dynamics * Souhaitez-vous le diffuser également auprès de : AFM SF2M autre : donner ou url site :