Les nanofils (NFs) de semi-conducteur (SC) sont des objets possédant des propriétés très intéressantes pour la fabrication de futurs composants électroniques à l'échelle nanométrique. Ils sont élaborés grâce à l'utilisation d'un catalyseur métallique (Au) formant un point eutectique profond en s'alliant à la phase SC (Si) permettant la germination et la croissance du NF à basses températures. Ce travail a pour but l'étude de la formation, de la structure et du comportement de ces gouttes d'alliage eutectique en interaction avec le substrat dont les propriétés futures du NF vont dépendre. L'étude a été menée in-situ, par utilisation du rayonnement synchrotron qui est un outil parfaitement dédié à la caractérisation de structures à l'échelle atomistique. Les gouttes d'eutectique ont été obtenues par le démouillage d'un film d'or. L'étude de ce procédé a révélé des changements dans les relations d'épitaxies entre l'or et le silicium. Les gouttes ainsi formées sont accompagnées d'une couche de mouillage, se révélant être une reconstruction de surface, dont les conditions de formation ainsi que la structure atomique ont été déterminées. Lors du refroidissement, une augmentation des effets de surfusion a été observée en présence de cette reconstruction et sont expliqués par la structure même de cette dernière qui semble stabiliser l'état liquide. Des expériences similaires ont été faites sur d'autres systèmes (Au-Ge, Al-Si) et une synthèse a été réalisée pour comparer les connaissances actuelles sur le ce sujet avec les résultats de ce travail. / Semiconductor (SC) nanowires (NMs) have been identified as important components for future electronic and sensor nanodevices. They are produced using a metal catalyst (Au) that forms a low eutectic point with the SC phase (Si) and enables their nucleation and their growth at low temperatures. The aim of this study is to investigate the formation, the structure as well as the behaviour of such liquid eutectic droplets in interaction with the substrates on which the futur NMs properties will later depend. This work has been performed in-situ, using synchrotron radiation which is the perfect tool to characterize this mechanism at the atomistic scale. The eutectic droplets have been obtained through the dewetting of thin gold films. This process has been found to modify the epitaxial relationships between the gold and the silicon substrate. The obtained droplets are accompanied by a wetting layer (WL) whose conditions of formation as well as atomic structure, which turned to be a surface reconstruction, have been determined. During the cooling process, the supercooling effects in such AuSi eutectic droplets have been found to be enhanced in the presence of this reconstruction. They are explained by the specific structure of the reconstruction which is likely to stabilize the liquid phase. Similar experiments on other systems (Au-Ge or Al-Si) were performed and a synthesis has been made in order to present the current knowledge on this topic in comparison with the results of this work.

Ce travail est dédié à l'étude de l'effet des champs magnétiques sur les propriétés magnétiques et le comportement à la solidification d'alliages à base de Cobalt en surfusion sous champ magnétique intense. Les alliages à base Co sont d'excellents candidats pour obtenir une surfusion en dessous ou proche du point de Curie sous champ intense en raison du faible écart entre ce point de Curie et la température du liquidus. Dans cette étude, un dispositif haute température de surfusion intégrant une mesure magnétique a été construit dans un aimant supraconducteur, et est utilisé pour la mesure in situ de l'aimantation de liquides surfondus et pour l'étude du sur-refroidissement et de l'évolution de la microstructure de solidification en champ intense. Le cobalt liquide en surfusion est fortement magnétique sous champ, et son aimantation est même supérieure à celle du solide au chauffage à la même température. L'aimantation de l'alliage proche eutectique Co-B en surfusion dépend de la température de surchauffe, tandis que le Co-Sn en surfusion est toujours paramagnétique. La surfusion moyenne et l'étendue de la recalescence de différents métaux et alliages est affectée par un champ externe. En champ magnétique uniforme, la surfusion du Cuivre est amplifiée, tandis que la surfusion du Cobalt et de Co-Sn reste identique. Cependant, l'étendue de la recalescence du Cobalt et de Co-Sn est réduite, et l'effet est d'autant plus important pour des teneurs supérieures en Cobalt. Le champ magnétique promeut la précipitation de la phase dendritique a-Co et la formation d'eutectique anormal dans la microstructure des alliages Co-Sn surfondus. Les processus d'évolution de la microstructure sont affectés par le champ magnétique, et dépendent de l'intensité du champ et de la surfusion. Ce travail offre de nouveaux horizons dans l'étude des propriétés magnétiques d'alliages métalliques en forte surfusion et dans l'étude de la solidification hors équilibre sous champ magnétique intense. / This work is devoted to the investigation of the magnetic field effect on the magnetic properties and solidification behavior of undercooled Co based alloys in high magnetic field. Co based alloys are promising candidates to be undercooled below or approaching their Curie point in strong magnetic field due to their small temperature difference between liquid line and Curie point. In this dissertation, a high temperature undercooling facility with magnetization measurement system is built in a superconducting magnet, and is used for in situ measurement of the magnetization of the undercooled melts and study the undercoolability and solidification microstructure evolution in magnetic field. The deep undercooled Co melt is strongly magnetized in magnetic fields, and its magnetization is even larger than the magnetization of heated solid at the same temperature. The magnetization of undercooled Co-B near eutectic alloy is related with overheating temperature while the undercooled Co-Sn melt is always in paramagnetic state. Mean undercooling and recalescence extent of different metals and alloys are affected by external field. In uniform magnetic field, the undercooling of Cu is enhanced while the undercoolings of Co and Co-Sn keep constant. However, the recalescence extents of Co and Co-Sn alloys are reduced, and with the increasing Co content, the effect becomes larger. Magnetic field promotes the precipitation of αCo dendrite phase and the formation of anomalous eutectics in solidified microstructure of undercooled Co-Sn alloys. The microstructure evolution processes are affected by magnetic field depending on the field intensity and undercooling. This work opens a new way to investigate the magnetic properties of deeply undercooled metallic melts and non-equilibrium solidification in strong magnetic fields.

Les liaisons bimétalliques entre acier faiblement allié et acier inoxydable sont nombreuses au sein des réacteurs nucléaires français où elles assurent la connexion entre les principaux composants et les tuyauteries du circuit primaire. Le revêtement interne de cuve réalisé par soudage feuillard-flux est un autre cas de soudure dissimilaire dont le rôle est d'assurer une bonne protection contre la corrosion. Ce travail de thèse a notamment pour but de comprendre la genèse des microstructures complexes se formant à l'interface entre les deux aciers pendant le soudage. Il étudie d'autre part leur évolution durant le traitement thermique post-soudage à 610°C ainsi que les conséquences de ces transformations sur le comportement mécanique du joint soudé. Partant du métal de base, on rencontre successivement une fine bande de martensite, une zone purement austénitique puis la microstructure biphasée δ/γ de l'acier inoxydable. Des techniques de microscopie (MEB, EDS, EBSD) combinées à des calculs thermo-cinétiques (modèle de Scheil-Gulliver, surfusion en pointe de dendrite) ont permis d'expliquer le gradient de microstructure et les raisons des transitions de phases observées. Au cours du traitement thermique de détensionnement à 610°C, le gradient de potentiel chimique du carbone à travers l'interface de fusion cause la dissolution de la cémentite et la croissance des grains du côté faiblement allié. On observe également la diffusion du carbone à travers l'interface et la précipitation de carbures riches en Cr dans le liseré martensitique et la zone austénitique. Une caractérisation détaillée des profils de composition et de la précipitation a été réalisée à différentes échelles (depuis le millimètre jusqu'au niveau atomique). Un modèle mésoscopique, s'appuyant sur des bases de données thermodynamiques et cinétiques, a été développé pour coupler la diffusion à longue distance dans un milieu multi-constitué à la germination et croissance des précipités (approche de type Kampmann-Wagner). Il a permis de prévoir la teneur en carbone ainsi que la fraction volumique et la distribution de taille des précipités en fonction de la distance à l'interface. Les conséquences de la forte variabilité de microstructure sur le comportement mécanique local ont été analysées dans la dernière partie de ce travail, en particulier les aspects de déformation localisée et de rupture ductile. Des lois de comportement élasto-plastique ont été déterminées pour chacune des régions de l'assemblage à l'état détensionné. L'étude des mécanismes de rupture ductile dans les zones les plus faibles de la soudure, c'est-à-dire le métal de base décarburé et les couches de revêtement austénitique a donné lieu à des observations in-situ et une modélisation de l'endommagement. / Dissimilar welds between low-alloy steel and stainless steel are numerous within the French nuclear power plants where they enable connecting the main components to the primary circuit pipes. The internal cladding (in stainless steel) of the pressure vessel (in bainitic steel) made by submerged arc welding is another case of dissimilar weld whose goal is the protection against corrosion. This PhD work aims at understanding the complex microstructures which form at the interface between both steels during welding together with their evolution during the post-weld heat-treatment at 610°C and their consequences on the mechanical behavior of the welded assembly. Starting from the base metal, one meets successively a thin layer of martensite, a fully austenitic zone and the two-phase δ/γ microstructure of the stainless steel. Microscopy techniques (SEM, EDS, EBSD) combined with thermo-kinetics calculations (Scheil-Gulliver model, dendrite tip undercooling) have allowed explaining the graded microstructure and the reasons for the observed phase transitions. During the post-weld heat-treatment, the large gradient of carbon chemical potential across the fusion line leads to cementite dissolution and grain growth on the low-alloyed side. Carbon diffusion through the interface and Cr-rich carbides precipitation in both the martensitic layer and the austenitic weld have also been observed. An in-depth characterization has been performed at different scales (from the millimeter to the atomic level) to quantify the extent of carbon diffusion and carbides precipitation during the phase transformations. A mesoscopic thermodynamic and kinetic model based on Calphad databases has been developed to fully couple long-range diffusion in a multi-component system with precipitates nucleation and growth (Numerical Kampmann-Wagner approach). It allowed a prediction of the carbon content, volume fraction and size distribution of the precipitates at any distance from the fusion line. The consequences of the high variability of microstructures on the local mechanical behavior have been examined in the last part of this work, in particular the localization of deformation and the ductile failure. Elasto-plastic constitutive laws were determined for each region of the dissimilar weld in the heat-treated state. Ductile failure mechanisms in the weak zones of the weld, namely the decarburized base metal and the stainless steel cladding layers, were investigated through in-situ observations and damage modeling.

Les alliages aluminium-silicium sont les alliages d’aluminium de moulage les plus couramment employés en raison de leur faible poids, de leurs caractéristiques mécaniques et de leur fluidité. Leurs propriétés mécaniques, en particulier leur résistance, peuvent être améliorées par l’affinage des grains et la modification des précipités de silicium. Par contre, la précipitation de composés intermétalliques riches en fer, comme la phase dite beta, a un effet néfaste sur la tenue en traction et la ductilité de ces alliages. Bien que diverses méthodes aient été proposées pour atténuer les effets de la phase beta, la compréhension des mécanismes de sa croissance pourrait s’avérer utile pour réduire ses effets néfastes. L’objectif de cette étude est d’établir la relation entre la vitesse de refroidissement et les caractéristiques microstructurales des alliages Al-Si hypoeutectiques. Dans une pièce coulée réelle, la vitesse de refroidissement locale peut grandement changer d’un point à l’autre du fait de la géométrie de la pièce mais aussi du fait des paramètres de coulée. Les variations de vitesse de refroidissement affectent le processus de solidification, et ceci est rendu évident par les changements des températures caractéristiques des courbes de refroidissement enregistrées en différents endroits d’une pièce. Les relations entre ces températures caractéristiques et la taille des grains et la modification du silicium eutectique sont présentées. Cette étude a aussi porté sur l’effet de la vitesse de refroidissement sur la morphologie de la phase beta dans le cas d’un alliage ternaire Al-Fe-Si. La croissance de la phase beta a été caractérisée par tomographie post-mortem et in-situ. Enfin, certains écarts par rapport aux caractéristiques de solidification usuelles, telles que la précipitation en écriture chinoise de la phase beta et la formation de rosettes, ont été observés et sont discutés. / Aluminum-silicon alloys are the most common aluminum casting alloys produced due to their fluidity characteristic and mechanical and light weight properties. However, there are several issues concerning application of Al-Si hypoeutectic alloys such as strength, which may be improved by refining grain size of the alloy and modifying silicon precipitates. Furthermore, precipitation of Fe-bearing intermetallics such as the so-called beta phase has a detrimental effect on tensile and ductility properties of Al-Si hypoeutectic alloys. Although various methods have been proposed to mitigate the effect of beta phase, the understanding of the mechanism of growth may be useful to reduce its detrimental effects. The objective of this study is to establish the relationship between the cooling rate and morphology features in Al-Si hypoeutectic alloys. In real casting condition, cooling rate is one of the factors that is not easy to predict, because it is related to the geometry of the parts and to the casting process itself. Changes in cooling rate affect the solidification process, and this is made apparent by the changes in the characteristic temperatures of cooling curves recorded in different locations of a part. The relation between these characteristic temperatures and grain size and eutectic silicon modification are presented. Furthermore, the present study also includes the effect of cooling rate on the morphology of beta phase in the case of a ternary Al-Fe-Si alloy. An attempt to characterize the growth of beta phase was performed through post-mortem and in-situ tomography. In addition, some variations from usual solidification features such as script monoclinic phase and rosettes were observed and are discussed.

Orientador: Amauri Garcia / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-14T11:35:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cante_ManuelVenceslau_D.pdf: 12795296 bytes, checksum: bd8bf91fcf479b66a28e7e3d6b5f7090 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: O desenvolvimento de microestruturas otimizadas durante o processo de solidificação são de fundamental importância nas propriedades e desempenho de produtos acabados baseados em ligas metálicas. Neste estudo é analisada a cinética envolvida no processo de solidificação, seus efeitos nos parâmetros macro e microestruturais e a sua conseqüente influência nas propriedades mecânicas. Com esse intuito, ligas hipoeutéticas do sistema binário são estudadas Al-Ni por meio de experimentos de solidificação vertical ascendente sob regime transitório de condução de calor. Os espaçamentos dendríticos primários (?1) e secundários(?2) foram medidos ao longo de todos os lingotes para cada uma das ligas analisadas e correlacionados com as variáveis térmicas de solidificação. Uma abordagem teórico-experimental é utilizada na determinação quantitativa de tais variáveis térmicas: coeficiente de transferência de calor na interface metal/molde, velocidade de deslocamento da isoterma liquidus, gradientes térmicos, taxa de resfriamento e tempo local de solidificação. Os dados experimentais referentes à solidificação das ligas são confrontados com os principais modelos teóricos de crescimento dendrítico da literatura. Este estudo aborda, também, a influência do teor de soluto nos espaçamentos dendríticos para as ligas estudadas. Do ponto de vista macroestrutural, verifica-se que a transição colunar/equiaxial (TCE) ocorre para ligas hipoeutéticas Al-Ni para uma taxa crítica de resfriamento de 0,16 K/s. Por ensaios de tração as propriedades mecânicas das ligas do sistema Al-Ni são correlacionadas com parâmetros da micro-estrutura dendrítica resultante do processo de solidificação. Verifica-se que os limites de escoamento e de resistência à tração crescem com o aumento da concentração de soluto e decrescem com o aumento dos espaçamentos dendríticos, ?1 e ?2. O alongamento específico, por outro lado, mostra-se independente da composição e do arranjo dendrítico. Para a liga Al-5%Ni foi também realizado um estudo de solidificação rápida por refusão da superfície a laser para análise das variações microestruturais e de dureza entre as áreas não tratadas e tratadas superficialmente. / Abstract: The development of optimized microstructures during the solidification stage of processing is of fundamental importance to the mechanical properties and to the performance of finished products of metallic alloys. In this study the kinetics of solidification and its effects on macro and microstructural parameters, as well as the consequent influence on the final mechanical properties are analyzed. Hypoeutectic Al-Ni alloys are studied by upward unidirectional solidification experiments under transient heat flow conditions. Primary (?1) and secondary (?2) dendrite arm spacings are measured along the castings for all alloys analyzed and correlated with transient solidification thermal variables. A combined theoretical/ experimental approach is used to quantitatively determine such thermal variables, i.e., transient metal/mold heat transfer coefficients, tip growth rates, thermal gradients, tip cooling rates and local solidification time. The experimental data concerning the Al-Ni alloys solidification are compared to the main predictive dendritic models from the literature and the dependence of dendrite arm spacing on the alloy solute content is also analyzed. From the macrostructural point of view, it is found that the CET occurs for a critical value of cooling rate of about 0.16 K/s for hypoeutectic Al-Ni alloys.With a view to correlate mechanical properties to dendrite arm spacings, tensile testings were carried out. It is found that the ultimate tensile strength and the yield strength increase with increasing alloy solute content and with decreasing primary and secondary dendrite arm spacings. In contrast, the elongation is found to be independent of both alloy composition and dendritic arrangement. For the Al 5%Ni alloy a rapid solidification study is carried out by using laser surface remelting in order to permit microstructural and microhardness variations throughout the resulting treated and untreated zones, to be analysed. / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Le silicium monolike (ML), est un matériau obtenu par croissance dirigée sur des germes monocristallins et dédié aux applications photovoltaïque. Cette thèse se concentre sur la qualité structurale de ces cristaux de plusieurs centaines de kilogrammes et qui contiennent des défauts dont certains affectent particulièrement le rendement solaire. Le but est de comprendre les mécanismes d'apparition et de multiplication de ces défauts pour pouvoir à terme les inhiber. Comme le développement de sous-joints de grains (SJG), principaux responsables des pertes de rendements photovoltaïques, est potentiellement lié aux contraintes thermomécaniques qui se développent au cours du cycle de fabrication, nous avons simulé numériquement les températures d'un four contenant un lingot sur un cycle complet (fusion, croissance, refroidissement). A partir des valeurs de températures, nous avons pu établir une cartographie des contraintes thermomécaniques ainsi que leur évolution temporelle. En parallèle, nous avons utilisé plusieurs techniques de caractérisations structurales et électriques pour analyser les défauts cristallins et leur répartition dans le lingot, et ce à différentes échelles. Au cours du cycle, un premier maximum de contrainte en fin de chauffe génère des dislocations et des précurseurs de SJG dans le germe, le second en fin de solidification / début de refroidissement mène à l'organisation finale des dislocations du bruit de fond présentes dans tout le lingot. Une fois les SJG apparus, ils s'étendent latéralement au fur et à mesure de la progression de l'interface solide-liquide. Ces sous-joints ont une structure constituée de dislocations sessiles et verticales, qui suivent le front de solidification mais également de dislocations mobiles qui viennent se bloquer sur cette structure préexistante. [...] / Monolike silicon (ML Si), is a material obtained by directional solidification on monocrystalline seeds and dedicated to photovoltaic applications. This thesis focuses on the structural quality of these crystals of several hundred kilograms that contain defects that potentially affect the photoelectric yield. The goal is to understand the mechanisms by which these defects nucleate and multiply in order to inhibit them. Since the development of sub-grain boundaries (SGB), which are the main factors for the losses of photovoltaic yields, is potentially related to the thermomechanical stresses that develop during a thermal cycle, we simulated numerically the temperatures of an oven containing an ingot over a complete cycle (fusion, growth, cooling). From the temperature values, we were able to establish a map of the thermomechanical stresses as well as their temporal evolution. In parallel, we used several structural and electrical characterization techniques to analyze crystalline defects and their distribution in the ingot at different scales. During the cycle, a first maximum of stress at the end of the heating stage generates dislocations and precursors of SGB in the seed. The second stress maximum at the end of solidification / start of cooling stage leads to the final organization of background dislocations present in the whole ingot. Once the SGB appear, they extend laterally as the solid-liquid interface progresses. These SGB have a structure consisting of sessile and vertical dislocations, which follow the solidification front and also mobile dislocations that interact with this pre-existing structure. The integration of these mobile dislocations, which can occur just below the solid-liquid interface or during cooling, increases the misorientation of the SGB. [...]

In most casting applications, dendritic microstructure morphology is not desired because it leads to poor mechanical properties. Forced convection causing sufficient shearing in the mushy zone of the partially solidified melt is one of the means to suppress this dendritic growth. The dendrites formed at the solid-liquid interface are detached and carried away due to strong fluid flow to form slurry. This slurry, consisting of rosette or globular particles, provides less resistance to flow even at a high solid fraction and can easily fill the die-cavity. The stated principle is the basis of a new manufacturing technology called “semi-solid forming” (SSF), in which metal alloys are cast in the semi-solid state. This technique has numerous advantages over other existing commercial casting processes, such as reduction of macrosegregation, reduction of porosity and low forming efforts. Among all currently available methods available for large scale production of semisolid slurry, the cooling slope is considered to be a simple but effective method because of its simple design and easy control of process parameters, low equipment and running costs, high production efficiency and reduced inhomogeneity. With this perspective, the primary objective of the present research is to investigate, both experimentally and numerically, convective heat transfer and solidification on a cooling slope, in addition to the study of final microstructure of the cast billets. Some key process parameters are identified, namely pouring temperature, slope angle, slope length, and slope cooling rate. A systematic scaling analysis is performed in order to understand the relative importance of the parameters in influencing the final properties of the slurry and microstructure after solidification. A major part of the present work deals with the development of an experimental set up with careful consideration of the range of process parameters involved by treating the cooling slope as a heat exchanger. Subsequently, a comprehensive numerical model is developed to predict the flow, heat transfer, species concentration solid fraction distribution of aluminum alloy melt while flowing down the cooling slope. The model uses a variable viscosity relation for slurry. The metal-air interface at the top during the melt flow is tracked using a volume of fluid (VOF) method. Solidification is modeled using an enthalpy based approach and a volume averaged technique. The mushy region is modeled as a multi-layered porous medium consisting of fixed columnar dendrites and mobile equiaxed or fragmented grains. In addition, the solidification model also incorporates a fragmentation criterion and solid phase movement. The effects of key process parameters on flow behavior involving velocity distribution, temperature distribution, solid fractions at the slope exit, and macrosegregation, are studied numerically and experimentally for aluminium alloy A356. The resulting microstructures of the cast billets obtained from the experiments are studied and characterized. Finally the experimental results are linked to the model predictions for establishing the relations involving interdependence of the stated key process parameters in determining the quality of the final cast products. This study is aimed towards providing the necessary guidelines for designing a cooling slope and optimizing the process parameters for desirable quality of the solidified product.

published_or_final_version / Environmental Management / Master / Master of Science in Environmental Management

Nous avons étudié le transfert de chaleur et de matière au cours de l'histoire de la Terre primitive à de multiples échelles en utilisant des modèles numériques. Deux systèmes différents sont abordés. Tout d’abord, nous nous concentrons sur les premiers stades de la formation du noyau terrestre lorsque le fer se sépare des silicates et descend vers l'intérieur de la planète. Au cours de la différenciation, des interactions chimiques et thermiques se produisent entre les gouttes de fer dispersées dans des silicates fondus formant un océan de magma. Nous étudions le transport chimique des éléments traces à l'intérieur et autour des gouttes. Nous tirons quelques relations fonctionnelles dépendante du régime dynamique d'écoulement et montrons que le système tend à être en équilibre chimique extrêmement rapidement par rapport à l'échelle de temps de la descente de la goutte de fer. Peu de temps après la fin de l'accrétion de la Terre, la fusion extensive de son intérieur profond ainsi que la formation d'un océan de magma en surface a lieu. Comme le rayonnement de la chaleur dans l'espace est très efficace, les silicates fondus superficiels cristallisent très rapidement. L'histoire thermique de la couche liquide enterrée, appelée océan de magma basal (OMB), se déroule sur une longue période de temps et il est proposé que ses restes soient aujourd'hui observables sous forme de poches partiellement fondues au dessus de frontière noyau-manteau. Nous déterminons les paramètres régissant un système convectif dans lequel se produit une transition solide/liquide. Les lois d'échelle ainsi obtenues ont été appliquées à l'OMB et indiquent que la différence de température qui peut être maintenue dans les couches limites supérieure et inférieure de l'OMB est infime. Par conséquent, la température du noyau suit la température de liquidus à la base du manteau et ainsi la vitesse de refroidissement de l'OMB doit être la même que celle du noyau de la Terre. / We have studied the heat and mass transfer during the early Earth history at multiple scales and for multiple systems by means of numerical computing. Two different systems are approached. Firstly, we focus on the early stages of the Earth core formation when iron segregates from silicates and descends toward the interior of the planet. During the differentiation there are chemical and thermal interactions between dispersed iron blobs and surrounding molten silicates. We study the chemical transport of trace elements within and around the drops. We derive functional relations between critical parameters and show that the system tends to be in chemical equilibrium.During the accretion process of the Earth, extensive melting of its deep interior as well as formation of shallow magma oceans occurred.As heat radiation into space happens with high efficiency, surface molten silicates crystallize very rapidly, in about 10 My. The thermal history of the buried liquid layer, called the basal magma ocean (BMO), proceeds over a long time and it is proposed that its remnants are nowadays observable as partial melts in the core-mantle boundary region.We develop numerical models of the thermal history of the crystallizing basal magma ocean that enable to study coupling between the mantle and the core in the presence of the BMO. We derive parametrized relations for this convective system that undergoes solidification/melting. Obtained scaling equations applied to the BMO indicate that the temperature difference that can be maintained across the top and bottom boundaries of the BMO is minute. Hence, the temperature of the core follows the temperature of liquidus at the bottom of the mantle and thus the rate of the BMO cooling must be the same as that of the Earth's core.

La formation de la structure de grains dans les métaux pendant la solidification est déterminante pour les propriétés mécaniques et électroniques des pièces coulées. En plus de la texture donnée au matériau, la germination et la croissance des grains sont liées en particulier avec la formation des phases thermodynamiques et les inhomogénéités en composition d'éléments d'alliage. La structure de grains est rarement modélisée à l'échelle macroscopique, d'autant plus que l'approximation 2D est très souvent injustifiée. Dans ces travaux, la germination et la croissance de chaque grain individuel sont suivies avec un modèle macroscopique 3D CAFE. La microstructure interne des grains n'est pas explicitement résolue. Pour valider les approximations faites sur cette microstructure, une comparaison directe avec un modèle microscopique "champ de phase" a été réalisée. Celle-ci a permis de valider les hypothèses de construction du modèle CAFE, de mettre en avant le lien entre données calculées par les modèles microscopiques et paramètres d'entrée des modèles à plus grande échelle, et les domaines de validité de chaque modèle. Dans un deuxième temps, un couplage avec la ségrégation chimique et les bases de données thermodynamiques a été mise en place et appliquée sur un alliage binaire étain-plomb. Une expérience de macroségrégation par convection naturelle a été simulée. L'accord entre les courbes de température expérimentales et simulées atteint une précision de l'ordre de 1K, et la recalescence est correctement prédite. Les cartes de compositions sont comparables qualitativement, ainsi que la structure de grains. Les avantages du suivi de la structure ont été mis en évidence par rapport à une simulation par éléments finis classique. De plus, il a été montré que le calcul 3D était ici indispensable. Enfin, une implémentation parallèle optimisée du code a permis d'appliquer le modèle CAFE à un lingot de silicium polycristallin industriel de dimensions 0,192 x 0,192 x 2,08m, avec une taille de cellules de 250µm. Au total, 4,9 milliards de cellules sont représentées sur le domaine, et la germination et la croissance de 1,6 million de grains sont suivies. / Grain structure formation during solidification of metal parts has a big impact on the final mechanical and electronic properties. Besides determining the crystallographic texture, the nucleation and growth of grains are linked and interact with the appearance of thermodynamic phases and inhomogeneities in the alloy's chemical elements distribution. Grain structure is very rarely modeled on the macro scale, especially because the 2D approximation is often not justified. In this work, the nucleation and growth of each individual grain is tracked with the 3D CAFE macroscopic model. The internal microscopic structure is not explicitly solved. In order to validate the assumptions concerning this microstructure, a direct comparison has been done with a microscopic "phase field" model. That comparison led to the validation of some of the hypothesis on which the CAFE model is built. Moreover, the various data computed in microscopic models that can be used as input parameters of the macroscopic models have been identified, and the limits of each model clearly shown. Secondly, coupling with macrosegregation and thermodynamic databases was achieved, and applied to a binary tin-lead alloy. An experiment featuring macrosegregation induced by natural convection was modeled. The agreement between the experimental and the predicted cooling curves is within 1K, and the recalescence is found to be correctly predicted. The composition maps and the grain structure agree qualitatively with the experiment. The improvement due to structure tracking was demonstrated, regarding a standard finite elements resolution. It was also shown that the 3D simulation is mandatory to reach a good description. Finally, the model was implemented through an optimized parallel algorithm. This permitted to apply the CAFE model on an industrial scale polycrystalline silicon ingot, which dimensions are 0,192 x 0,192 x 2,08m. The cell size is chosen to be 250µm. In total, 4,9 billions of cells were represented, and the nucleation and growth of 1,6 million of grains were tracked.