Understanding and optimising the formation of local chemical heterogeneities in large forging ingots used by the nuclear industry
Compréhension et optimisation de la formation des hétérogénéités chimiques locales dans les gros lingots de forge utilisés par l'industrie nucléaire
Résumé
Chemically segregated bands affect the mechanical properties of forged and hot-rolled steel. These bands seems to arise for the deformation of mesosegregations during forging or hot-rolling. While microsegregation (at the dendritic scale) and macrosegregation (at the ingot scale) are well understood, little is known about mesosegregation formation. Such intermediate scale segregations in large ingots have never been investigated. A precise characterisation is the first step towards understanding the formation and the behaviour of these segregations. In this PhD, a new methodology for segregation chracterisation was developped. The methodology is based on the µXRF technique which was adapted for segregation mapping on centimetric scale samples. The µXRF-based characterisation methodology provides a fast and easy way to characterise centimetric scale samples with minimal sample preparation. This technique is also non-destructive, opening wide research possibilities. ewlineWith µXRF, segregation patterns in a 100 x 95 x 145 mm3 volume were reconstructed in 3D based on 2D sucessive segregations maps. In our samples, we found two kinds of segregation patterns coexisting: channel segregates and intermediate-scale segregation. The 3D reconstructions gave a new point of view on segregation shape and highlighted how complex channel segregates' shape is. The channels were found to be sinuous, to merge and to present ramifications. This 3D observation showed the limitation of 2D observations for segregation characterisation. µXRF was also used to investigate segregations at the centimetric scale in 3 different ingots. In each ingot under study, channel segregates were observed in equiaxed dendritic grains' areas. To understand in which conditions such segregations patterns form. Solid simulations were used to investigate both global and local solidification conditions leading to channel segregates and intermediate-scale segregation formation. The solidification of a 116 tons ingot was simulated. The full solidification of the ingot takes 41 hours. During the solidication, equiaxed grains can move in the liquid pool and get stuck in a coherent grains network. They can stay motionless for hours without solidifying. This phenomenon was observed at the emplacement where channel segregates and intermediate-scale segregations were observed. During this solidification plateau, the local segregation does not evolve much. The segregations patterns are expected to form after the solidification plateau when the thermal gradient and the fluid flow change. Finally, the effects of forging on the segregation patterns were investigated with 2 different and complementary approaches: simulation of the forging process and experimental observation of forged material. µXRF was used to map sergegation on samples taken from a froged part and the 3D reconstruction of segregations patterns was numically forged to compare experimental observations with simulations of forging. The lack of comparative material is an obstacle to a fully understanding of the effects of forging on sergegations.
Les filets de ségrégations affectent les propriétés mécaniques de l'acier forgé et laminé à chaud. Ces filets semblent provenir de la déformation des mésoségrégations pendant les étapes de forgeage ou de laminage à chaud. Si la microségrégation (à l'échelle dendritique) et la macroségrégation (à l'échelle du lingot) sont bien comprises, on sait peu de choses sur la formation de la mésoségrégation. Ces ségrégations à l'échelle intermédiaire n'ont pas encore été étudiées dans les grands lingots. Afin de comprendre la formation et l'évolution de ces ségrégations, il est primordial de les caractériser avec précision. Cette thèse développe une nouvelle approche pour la caractérisation des ségrégations. Cette approche est basée sur la µXRF qui offre un moyen rapide et facile de caractériser des échantillons de taille centimétrique, tout en nécessitant une préparation minimale de l'échantillon. Cette technique est également non destructive, ce qui ouvre de vastes possibilités de recherche. Avec la µXRF, les ségrégations ont été reconstruites en 3D dans un volume de 100 x 95 x 145 mm3. Cette reconstruction est basée sur l'interpolation en 3D de ségrégations observées sur des échantillons centimétriques 2D. Dans le volume reconstruit, deux types de ségrégations coexistent: les canaux de ségrégation et les ségrégations d'échelle intermédiaire. La visualisation en 3D des canaux de ségrégation met en évidence la complexité de la forme des canaux: ils sont sinueux, fusionnent entre eux et certains sont ramifiés. Cette observation 3D montre également les limites de l'observation 2D pour la caractérisation des ségrégations. Les caractérisations 2D sont tout de même utilisés pour leur rapidité, elles permettent d'observer les ségrégations sur des échantillons issus de 3 lingots différents. Dans chaque lingot étudié, des canaux de ségrégations sont observés dans des zones de croissance équiaxe dendritique. Afin de comprendre dans quelles conditions les ségrégations observées se sont formées, des simulations Solid sont utilisées. Les conditions de solidification globales et locales d'un lingot de 116 tonnes sont étudiées. La solidification complète du lingot prend 41 heures, durant lesquelles les grains équiaxes bougent dans le puits liquide avant de s'immobiliser bloqués les uns par les autres. Ils peuvent alors rester immobiles pendant des heures sans se solidifier. Ce phénomène se produit à l'endroit où ont été observés les canaux de ségrégation et les ségrégations d'échelle intermédiaire ont été observées. Pendant ce plateau de solidification, la ségrégation locale n'évolue quasiment pas. Les ségrégations observées semblent se former en fin de solidification, lorsque le gradient thermique et l'écoulement du liquide changent. Enfin, les effets du forgeage sur les ségrégations sont étudiés à l'aide de deux approches différentes et complémentaires: la caractérisation d'échantillons de matière forgée et la simulation du processus de forgeage sur les ségrégations précédemment reconstruites en 3D. La µXRF a été utilisée pour cartographier la ségrégation sur des échantillons prélevés sur une pièce forgée. Le manque de données auxquelles comparer nos résultats est un obstacle à la compréhension complète des effets du forgeage sur les ségrégations.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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