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The goal of this thesis is to determine the relationship between the macroscopic stress and the macroscopic strain for a variety of complex multiphase materials exhibiting rate-independent non-linear response at the micro-scale, based on experimental data obtained both at the local and macroscopic scales. A micro-macro secant mean field model (SMF model) based on the result of Eshelby and the approach of Mori and Tanaka is developed to model the behaviour of three particular systems which we have worked out by ourselves: 1) a ferrite-martensite steel produced by rolling in which we quantify the plastic anisotropy due to the morphological texture in terms of the Lankford's coefficient and pseudo yield surface; 2) a composite made of two continuous and interpenetrating phases: an aluminium matrix reinforced by a preform of sintered Inconel601 fibres. We quantify the coupled effects of temperature and phases co-continuity on the phases and overall stresses; 3) a TRIP-aided multiphase steel, in which the dispersed metastable austenite phase transforms to martensite. We derive the relationship between the overall uniaxial elastoplastic response and the progress of phase transformation, itself influenced by the thermodynamical, microstructural and mechanical properties. The stress-state dependence of the martensitic transformation is enlightened and explained. We demonstrate the existence of thermomechanical treatments leading to optima of ductility and strength-ductility balance. Finally, we show that the formability of TRIP-aided multiphase steels depends on the stability criterion.

Point defects control many properties of technological importance in intermetallic compounds such as atomic diffusion, creep, hardness, mechanical properties and sintering. Farther, since intermetallic compounds are characterized by long range atomic order, the point defects in these compounds can be qualitatively different from those in pure metals and disordered alloys. In the present study, we have chosen β-NiAl for our point defect studies since it is a potential candidate for high temperature applications and a model system for the study of basic phenomena in ordered alloys. We have used a mean field formulation for studying point defect concentrations. The outline of the formulation is as follows: We divide the rigid, body centred cubic lattice into two interpenetrating cubic sublattices called α and j3 which are made up of the cube corners and body centres respectively. We write a generic free energy function (G) that involves the temperature T and the six sublattice occupancies viz., the A (Ni), B (Al) and vacancies (V) on the two sublattices α andβ. We use the constraints on the number of α and β sublattice sites viz., the number of α sublattice sites is equal to the number of β sublattice sites, to write G as a function of four of the six sublattice occupancies and T. We define three auxiliary parameters η1, η2 and η3 which correspond to the vacancy concentration, the differential B species population on the two sublatices (the chemical or atomic order), and the differential vacancy population on the two sublattices, respectively. We then rewrite G as a function of T, xB and ηi. The G can now be minimized with respect to the three auxiliary variables so that we recover the free energy (G) as a function of XB and T only. The formulation requires as inputs the Ni-Ni, Al-Al, Ni-Al, Ni-V and Al-V interaction energies in the nn and nnn shells. We have obtained the Ni-Ni, Al-Al and Ni-Al interaction energies from the effective pair potentials reported in the literature. For the Ni-V and Al-V interaction energies we have used a bond breaking model in which we have assumed that the Ni-V and Al-V interaction energies in the nnn shell to be zero. Using the above interaction parameters in our mean field formulation we have determined the concentrations of various types of point defects in β-NiAL We have specifically chosen the temperature range of 800 - 2000 K and the composition range of 45 - 55 atomic% Al. Our results can be summarised as follows: 1.The predominant defect in the stoichiometric alloy is a combination of an Ni-antisite defect and two vacancies on the Ni sublattice. 2.The Al-rich alloys of composition (50 + ∆) atomic% contain 2∆% vacancies;since the alloys are almost perfectly ordered, these vacancies predominantly occupy the Ni sublattice. Similarly, the Ni-rich alloys of composition (50 — ∆)atomic% contain ∆% Ni antisites. 3.Both the vacancies on the Ni sublattice (in Al-rich alloys) and Ni-antisites (in Ni-rich alloys) show negligible temperature dependence, and hence owe their origin to the off-stoichiometry. 4.In all the alloys, the Al-antisites have the lowest concentration (of the order 10-6 even at 2000 K) and the concentration of the vacancies on the β sublattice is the next lowest. Thus, our results support the view that β-NiAl is a triple defect B2 and, if we consider constitutional vacancies as those which have a little or no temperature dependence, there exist constitutional vacancies in Al-rich β-NiAl. This conclusion is in agreement with some of the experimental results. However, it must be pointed out that there is considerable disagreement among experimental results from different groups.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第17924号 / 情博第506号 / 新制||情||89(附属図書館) / 30744 / 京都大学大学院情報学研究科数理工学専攻 / (主査)教授 梅野 健, 教授 中村 佳正, 教授 船越 満明 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Informatics / Kyoto University / DFAM

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Lors de l'élaboration de pièces métalliques de grandes dimensions, la présence interne de pores est habituellement observée. Ces défauts internes sont généralement refermés lors des premières passes de transformation à chaud. Il y a cependant à l‘heure actuelle un manque de connaissance sur les mécanismes mis en jeu lors de cette refermeture, et par conséquent aucune prédiction précise possible et un taux de rebut assez important. Le travail présenté dans ce manuscrit vise à mieux comprendre les mécanismes de refermeture en identifiant les paramètres procédés, matériaux et morphologiques clés lors de la refermeture. Ce travail s'est déroulé dans le cadre d'un consortium industriel impliquant six partenaires. La problématique industrielle est donc particulièrement variée en termes de matériaux, de procédés et d'états initiaux de pores.Une étude approfondie des modèles existants dans la littérature est d'abord présentée. Les deux familles d'approches utilisées sont discutées : l'approche explicite en champ complet, et l'approche micro-analytique. Il est montré que ces deux approches ne sont pas suffisantes pour établir un modèle de prédiction dont la précision réponde aux enjeux industriels.Une nouvelle approche est donc proposée dans cette thèse à l'échelle mésoscopique. Les mécanismes de refermeture sont étudiés à l'échelle d'un volume élémentaire représentatif (VER), permettant une description 3D particulièrement précise des mécanismes locaux, tout en appliquant des conditions aux limites représentatives des états mécaniques mis en jeu à l'échelle macroscopique.Les mécanismes locaux ont été étudiés au moyen d'une vaste campagne de simulations éléments-finis 3D à l'échelle d'un VER. Les paramètres étudiés sont : les paramètres matériaux, la morphologie du pore, et le chargement thermomécanique subit durant la déformation. L'étude a montré que la morphologie et l'état de contraintes sont de premier ordre sur le comportement en refermeture, et que les paramètres matériaux sont de second ordre. Les influences des paramètres de premier ordre ont ensuite été quantifiées afin de proposer un modèle de prédiction de refermeture robuste. La morphologie du pore est exprimée par le biais de ses dimensions équivalentes (rapports d'élongations tridimensionnels) et de son orientation par rapport à la direction principale de déformation. L'état de contraintes est exprimé par le taux de triaxialité des contraintes.Le modèle a finalement été implémenté dans un code éléments finis de mise en forme et une validation sur cas industriels est présentée afin d'évaluer les bénéfices obtenus par ce nouveau modèle par rapport aux modèles de la littérature. Une validation expérimentale a également été menée par le biais d'essais d'écrasements d'échantillons poreux dont l'état de porosité a été mesuré par micro-tomographie aux rayons X avant et après les essais. / During production of large metal workpieces, an internal presence of voids is usually observed. Such internal defaults are generally closed up during the first passes of hot forming processes. Yet, there is at present a lack of knowledge regarding void closure mechanisms and there is no reliable model that can accurately predict void closure. The amount of non-deliverable products is consequently relatively high. The present work aims to better understand void closure mechanisms with respect to the involved materials, processes and voids' morphological parameters. This work was supported by an industrial consortium involving six partners. The industrial issues were thus particularly diversified in terms of materials, processes and initial void states.An extensive study regarding existing models in the literature is first presented. Two main approaches are discussed: the explicit full-field approach and the micro-analytical approach. It is shown that none of both approaches is sufficient to precisely predict void closure according to the industrial issues.A new approach is thus proposed at the mesoscale. Void closure mechanisms are studied using a representative volume element (RVE). Using this approach an accurate tridimensional description of the void state can be obtained at the RVE scale. Boundary conditions can also be imposed in order to accurately represent thermomechanical conditions from the macro-scale.Local mechanisms of void closure are studied using a large campaign of 3D finite element simulations at the RVE-scale. The studied parameters are: the materials parameters, the void's morphology and the thermomechanical loading that a void might undergo during hot forming processes. The study shows that both the void's morphology and the stress state exhibit a first-order influence on void closure. Materials parameters exhibit a second-order influence on void closure. A new reliable prediction model is thus proposed with respect to the first-order parameters. The void's morphology is quantitatively studied in terms of equivalent dimensions (tridimensional aspect ratios), and orientation (with respect to principal deformation direction). The stress state is expressed using the stress triaxiality ratio.The proposed model was finally implemented in a material forming finite element software. Validation cases are presented using industrial processes in order to highlight the benefits and limitations of this new model with respect to the existing models from the literature. An experimental validation was also performed using compression tests of porous samples. The samples were examined using X-ray micro-tomography before and after compression.

L'Inconel 718 est un superalliage base-nickel très utilisé pour la fabrication de pièces aéronautiques soumises à de fortes contraintes et de hautes températures. La maîtrise de la microstructure finale issue de la mise en forme à chaud est un des éléments clés pour le contrôle des propriétés mécaniques et pour répondre aux exigences strictes du secteur. Dans cette étude, l'évolution de la microstructure de l'Inconel 718 est étudiée au moyen d'essais de torsion suivis d'une trempe à l'eau (pour examiner les évolutions dynamiques) ou d'un maintien à la température de déformation puis d'une trempe à l'eau (pour examiner les évolutions post-dynamiques). Ces essais sont réalisés dans les domaines de température δ-supersolvus et δ-subsolvus et pour des vitesses de déformation de 10-2 à 0.1 s-1. Des analyses microstructurales par microscopie électronique à balayage et cartographie des orientations cristallographiques par EBSD sont réalisées pour suivre l'évolution de la fraction recristallisée, de la taille de grains recristallisés ainsi que de l'état de précipitation lors de la déformation et des maintiens pré- et post-déformation. Sur base de ces observations expérimentales, les principaux mécanismes métallurgiques actifs sont identifiés, puis modélisés : écrouissage, germination de nouveaux grains, migration de joints de grains, et interaction avec les particules de seconde-phases. Un modèle d'évolution microstructurale en champ moyen a été enrichi pour prendre en compte l'ensemble de ces mécanismes élémentaires et leur dépendance aux conditions thermomécaniques. Ce modèle permet de décrire, pour les domaines δ-subsolvus et δ-supersolvus, les cinétiques de recristallisation dynamique et post-dynamique de l'Inconel 718, les cinétiques de précipitation et dissolution de la phase δ, ainsi que l'évolution de la taille de grains. Il prédit également les courbes contrainte-déformation dans le domaine de température δ-supersolvus. / Inconel 718 is nickel-based Superalloy widely used in the aeronautic industry to manufacture aircraft parts subjected to extreme in-service conditions of high stresses at elevated temperatures. Controlling the microstructure after hot forming is a key element to control the mechanical properties of the final products and meet the tight specifications imposed by the aeronautic industry.In this work, the microstructure evolution of Inconel 718 was investigated via isothermal and iso-strain rate torsion tests followed by water quenching (to investigate dynamic evolution) or by annealing at deformation temperature then water quenching (to investigate post-dynamic evolution). These tests were conducted in both δ-Supersolvus and δ-Subsolvus temperature domains and for strain rates of 0.01 to 0.1 s-1.Scanning electron microscopy (SEM) and Electron Back Scattered Diffraction (EBSD) were used to characterize the microstructure and follow the evolution of the recrystallized fraction, the recrystallized grain size and the δ-phase precipitation after deformation and during pre-deformation and post-deformation annealing. Based on these experimental observations, the main metallurgical mechanisms have been identified and modelled: hardening, nucleation of new grains, grain boundaries migration and the δ-phase- recrystallization interaction.A two-site mean field approach having a low computational cost was chosen to model the microstructural evolution at different thermomechanical conditions. This model describes the main mechanisms taking place during hot forming of Inconel 718 in both δ-Supersolvus and δ-Subsolvus domains and predicts the recrystallization kinetics in both dynamic and post-dynamic regimes , the δ-phase precipitation and dissolution kinetics and the grain size evolution. The model predicts also the strain-stress curves at high temperatures in the absence of δ-phase particles.

Les propriétés finales des alliages métalliques sont directement liées à la microstructure de fin de mise en forme. Les mécanismes de recristallisation dynamique (DRX) et post-dynamique (PDRX) jouent un rôle important sur les évolutions microstructurales intervenant pendant et après les étapes de déformation à chaud. Dans ce contexte, un défi majeur pour les industriels et les chercheurs est de prédire la microstructure obtenue en fonction des conditions de mise en forme. Cela implique de bien connaître les mécanismes de DRX et PDRX et leur cinétique. Les modèles en champ complet permettent de modéliser explicitement la microstructure des alliages métalliques et ses possibles évolutions à l’échelle du polycristal. Ces modèles sont précis comparativement aux modèles œuvrant aux plus grandes échelles, mais ils sont généralement très couteux en termes de temps de calcul. Les modèles à champ moyen sont quant à eux basés sur une description implicite de la microstructure, conduisant à des temps de calcul considérablement réduits, mais ils reposent sur un grand nombre d’hypothèses, notamment topologiques. Cette thèse propose un nouveau modèle champ complet de DRX/PDRX et croissance de grains, capable de fonctionner en 2D comme en 3D, et une nouvelle approche en champ moyen, s'appuyant sur ces simulations en champ complet. La nouvelle approche champ moyen prend notamment mieux en compte les effets topologiques pour une meilleure prédiction des distributions de tailles de grains. Ce travail inclut une procédure de calibration et une validation des deux modèles s'appuyant sur une campagne d’essais expérimentaux sur un acier austénitique 304L. / Final properties of metal alloys are directly related to their microstructure, inherited from the processing route. Dynamic (DRX) and post-dynamic recrystallization (PDRX) mechanisms play a primordial role in microstructure evolutions occurring during and after hot-deformation. Within this context, predicting microstructures depending on the applied thermomechanical conditions is a major challenge for both industrials and researchers. This requires a good knowledge of recrystallization mechanisms and kinetics. Full field models are based on an explicit description of the microstructure of a metallic alloy, and its possible evolutions at a polycrystalline scale. These models are accurate compared to models operating at larger scales, but they generally lead to prohibitive numerical costs. On the other hand, mean field models are based on an implicit description of the microstructure, leading to considerably reduced numerical costs, but they are based on many assumptions, notably with regards to topology. The outcome of this PhD work is a new full field model of DRX/PDRX and grain growth, working in 3D as well as in 2D, and a new DRX/PDRX mean field approach which better accounts for topological effects, and provides better predictions for grain size distributions. This work also includes a calibration procedure and a validation of these two new models, using experimental data obtained from compression tests performed on the 304L austenitic steel.

De nos jours, il est bien accepté que le cycle magnétique de 11 ans du Soleil est l'oeuvre d'une dynamo interne présente dans la zone convective. Bien qu'avec la puissance de calculs des ordinateurs actuels il soit possible, à l'aide de véritables simulations magnétohydrodynamiques, de résoudre le champ magnétique et la vitessse dans toutes les directions spatiales, il n'en reste pas moins que pour étudier l'évolution temporelle et spatiale de la dynamo solaire à grande échelle, il reste avantageux de travailler avec des modèles plus simples. Ainsi, nous avons utilisé un modèle simplifié de la dynamo solaire, nommé modèle de champ moyen, pour mieux comprendre les mécanismes importants à l'origine et au maintien de la dynamo solaire. L'insertion d'un tenseur-alpha complet dans un modèle dynamo de champ moyen, provenant d'un modèle global-MHD [Ghizaru et al., 2010] de la convection solaire, nous a permis d'approfondir le rôle que peut jouer la force électromotrice dans les cycles magnétiques produits par ce modèle global. De cette façon, nous avons pu reproduire certaines caractéristiques observées dans les cycles magnétiques provenant de la simulation de Ghizaru et al., 2010. Tout d'abord, le champ magnétique produit par le modèle de champ moyen présente deux modes dynamo distincts. Ces modes, de périodes similaires, sont présents et localisés sensiblement aux mêmes rayons et latitudes que ceux produits par le modèle global. Le fait que l'on puisse reproduire ces deux modes dynamo est dû à la complexité spatiale du tenseur-alpha. Par contre, le rapport entre les périodes des deux modes présents dans le modèle de champ moyen diffère significativement de celui trouvé dans le modèle global. Par ailleurs, on perd l'accumulation d'un fort champ magnétique sous la zone convective dans un modèle où la rotation différentielle n'est plus présente. Ceci suggère que la présence de rotation différentielle joue un rôle non négligeable dans l'accumulation du champ magnétique à cet endroit. Par ailleurs, le champ magnétique produit dans un modèle de champ moyen incluant un tenseur-alpha sans pompage turbulent global est très différent de celui produit par le tenseur original. Le pompage turbulent joue donc un rôle fondamental au sein de la distribution spatiale du champ magnétique. Il est important de souligner que les modèles dépourvus d'une rotation différentielle, utilisant le tenseur-alpha original ou n'utilisant pas de pompage turbulent, parviennent tous deux à produire une dynamo oscillatoire. Produire une telle dynamo à l'aide d'un modèle de ce type n'est pas évident, a priori. Finalement, l'intensité ainsi que le type de profil de circulation méridienne utilisés sont des facteurs affectant significativement la distribution spatiale de la dynamo produite. / It is generally agreed upon that the 11-year magnetic cycle of the Sun arises through the action of an internal dynamo operating in the convective zone, and perhaps also immediately beneath it. Although the computing power of current supercomputers is sufficient to allow fairly realistic magnetohydrodynamical simulations of this dynamo process, to study the temporal and spatial evolution of the large-scale solar magnetic field over long timescales, it remains advantageous to work with simpler models. Thus, to better understand the physical mechanisms at the origin and maintenance of the solar dynamo, we used a simplified formulation, known as a mean-field model. By using a complete alpha-tensor extracted from a global MHD model of solar convection [Ghizaru et al., 2010] as input to a kinematic axisymmetric mean-field dynamo model [Charbonneau & MacGregor, 1997], it becomes possible to study the effect of the electromotive force on the magnetic cycles produced by the global model. In this way, we are able to reproduce some of the observed characteristics of the Ghizaru et al., 2010 simulation, in particular magnetic cycles. The axisymmetric magnetic field produced by the mean-field dynamo model exhibits two distincts dynamo modes. These modes, with similar periods, are present and peak at substantially at the same radii and latitudes as the sonlly-averaged magnetic fields extracted from the global model. Thanks to the spatial complexity of the alpha-tensor, we can reproduce these two dynamo modes. In contrast, the ratio of the periods of the two modes present in the mean field model differs significantly from that found in the global model. In addition, the accumulation of strong magnetic fields at the base of the convective zone disappears in a model where differential rotation has been removed. This suggests that differential rotation plays a significant role in the accumulation of magnetic fields in this region. Furthermore, removing the turbulent pumping component of the alpha-tensor produces a very different magnetic field cycle. Therefore, turbulent pumping plays a crucial role in the spatial distribution of the magnetic field. It is important to underline that the models without differential rotation, with or without turbulent pumping, both succeed in producing an oscillatory dynamo using only the turbulent electromotive force. However, the dynamos materializing in these modified models are significantly different from that using the full alpha-tensor. Finally, both the intensity and form of meridional circulation profiles are significant factors affecting the dynamo modes.

De nos jours, il est bien accepté que le cycle magnétique de 11 ans du Soleil est l'oeuvre d'une dynamo interne présente dans la zone convective. Bien qu'avec la puissance de calculs des ordinateurs actuels il soit possible, à l'aide de véritables simulations magnétohydrodynamiques, de résoudre le champ magnétique et la vitessse dans toutes les directions spatiales, il n'en reste pas moins que pour étudier l'évolution temporelle et spatiale de la dynamo solaire à grande échelle, il reste avantageux de travailler avec des modèles plus simples. Ainsi, nous avons utilisé un modèle simplifié de la dynamo solaire, nommé modèle de champ moyen, pour mieux comprendre les mécanismes importants à l'origine et au maintien de la dynamo solaire. L'insertion d'un tenseur-alpha complet dans un modèle dynamo de champ moyen, provenant d'un modèle global-MHD [Ghizaru et al., 2010] de la convection solaire, nous a permis d'approfondir le rôle que peut jouer la force électromotrice dans les cycles magnétiques produits par ce modèle global. De cette façon, nous avons pu reproduire certaines caractéristiques observées dans les cycles magnétiques provenant de la simulation de Ghizaru et al., 2010. Tout d'abord, le champ magnétique produit par le modèle de champ moyen présente deux modes dynamo distincts. Ces modes, de périodes similaires, sont présents et localisés sensiblement aux mêmes rayons et latitudes que ceux produits par le modèle global. Le fait que l'on puisse reproduire ces deux modes dynamo est dû à la complexité spatiale du tenseur-alpha. Par contre, le rapport entre les périodes des deux modes présents dans le modèle de champ moyen diffère significativement de celui trouvé dans le modèle global. Par ailleurs, on perd l'accumulation d'un fort champ magnétique sous la zone convective dans un modèle où la rotation différentielle n'est plus présente. Ceci suggère que la présence de rotation différentielle joue un rôle non négligeable dans l'accumulation du champ magnétique à cet endroit. Par ailleurs, le champ magnétique produit dans un modèle de champ moyen incluant un tenseur-alpha sans pompage turbulent global est très différent de celui produit par le tenseur original. Le pompage turbulent joue donc un rôle fondamental au sein de la distribution spatiale du champ magnétique. Il est important de souligner que les modèles dépourvus d'une rotation différentielle, utilisant le tenseur-alpha original ou n'utilisant pas de pompage turbulent, parviennent tous deux à produire une dynamo oscillatoire. Produire une telle dynamo à l'aide d'un modèle de ce type n'est pas évident, a priori. Finalement, l'intensité ainsi que le type de profil de circulation méridienne utilisés sont des facteurs affectant significativement la distribution spatiale de la dynamo produite. / It is generally agreed upon that the 11-year magnetic cycle of the Sun arises through the action of an internal dynamo operating in the convective zone, and perhaps also immediately beneath it. Although the computing power of current supercomputers is sufficient to allow fairly realistic magnetohydrodynamical simulations of this dynamo process, to study the temporal and spatial evolution of the large-scale solar magnetic field over long timescales, it remains advantageous to work with simpler models. Thus, to better understand the physical mechanisms at the origin and maintenance of the solar dynamo, we used a simplified formulation, known as a mean-field model. By using a complete alpha-tensor extracted from a global MHD model of solar convection [Ghizaru et al., 2010] as input to a kinematic axisymmetric mean-field dynamo model [Charbonneau & MacGregor, 1997], it becomes possible to study the effect of the electromotive force on the magnetic cycles produced by the global model. In this way, we are able to reproduce some of the observed characteristics of the Ghizaru et al., 2010 simulation, in particular magnetic cycles. The axisymmetric magnetic field produced by the mean-field dynamo model exhibits two distincts dynamo modes. These modes, with similar periods, are present and peak at substantially at the same radii and latitudes as the sonlly-averaged magnetic fields extracted from the global model. Thanks to the spatial complexity of the alpha-tensor, we can reproduce these two dynamo modes. In contrast, the ratio of the periods of the two modes present in the mean field model differs significantly from that found in the global model. In addition, the accumulation of strong magnetic fields at the base of the convective zone disappears in a model where differential rotation has been removed. This suggests that differential rotation plays a significant role in the accumulation of magnetic fields in this region. Furthermore, removing the turbulent pumping component of the alpha-tensor produces a very different magnetic field cycle. Therefore, turbulent pumping plays a crucial role in the spatial distribution of the magnetic field. It is important to underline that the models without differential rotation, with or without turbulent pumping, both succeed in producing an oscillatory dynamo using only the turbulent electromotive force. However, the dynamos materializing in these modified models are significantly different from that using the full alpha-tensor. Finally, both the intensity and form of meridional circulation profiles are significant factors affecting the dynamo modes.