Modélisation et simulation de l’impact de l’orientation de la structure microscopique d’un matériau métallique dans un processus de conduction thermique

Berthoumieu, Emile-Marie (2022). Modélisation et simulation de l’impact de l’orientation de la structure microscopique d’un matériau métallique dans un processus de conduction thermique. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le phénomène de conduction thermique est un des phénomènes physiques marquant des domaines de l’aéronautique ou du spatial que ce soit durant la durée de vie des pièces d’un porteur que pendant leurs processus de fabrication/traitement. Majoritairement, ce phénomène est modélisé via une équation de diffusion isotrope. Cependant dans certains contextes particuliers, tel que dans le cas de pièces ayant subi un écrouissage, il est possible d’observer une élongation des grains caractérisant leur structure cristallographique ce qui induit une propriété d’anisotropie au système. Or, il a été prouvé que la frontière entre deux grains représente une barrière thermique. Cette caractéristique pose alors la question de l’impact de la microstructure sur le phénomène de conduction thermique. Ainsi ce projet développe un modèle multi-échelle innovant qui tient compte de l’orientation de la microstructure propre aux matériaux métalliques. Plus précisément, l’orientation granulaire, l’orientation atomique et la variabilité de la résistance thermique aux frontières en fonction des différences d’orientation atomique de part et d’autres de la barrière, ont été mises en place. Il a fallu alors tester et implémenter différentes méthodes numériques pour faire face aux caractères non-linéaire et anisotrope de notre modèle de diffusion. Ainsi, nous mettons en exergue les variations que peut subir le champs thermique lors d’un processus de conduction en fonction des différents contextes microstructuraux. C’est à travers des campagnes numériques, se basant sur des approches par différences finies, que nous mettons en évidence l’impact concret de la microstructure sur ce phénomène. De plus, les observations numériques ont montré que l’orientation granulaire est le paramètre qui domine l’impact de la microstructure. Enfin une campagne expérimentale est menée pour étayer les observations numériques. Elle présente un protocole solide pour mesurer l’impact de l’orientation granulaire sur la conductivité d’un matériau.

Titre traduit

Modeling and simulation of the impact of the microscopic structure’s orientation in a thermal conduction process on a metallic material

Résumé traduit

The phenomenon of thermal conduction is one of the most important physical phenomena in the aerospace industry, both during the lifetime of a carrier part and during its manufacturing/treatment process. Mostly, this phenomenon is modeled via an isotropic diffusion equation. However, in some particular contexts, such as in the case of parts having undergone a work hardening, it is possible to observe an elongation of the grains characterizing their crystallographic structure which induces a property of anisotropy to the system. It has been proven that the boundary between two grains represents a thermal barrier. This characteristic raises the question of the impact of the microstructure on the thermal conduction phenomenon. This project develops an innovative multi-scale model that takes into account the orientation of the microstructure specific to metallic materials. More precisely, the granular orientation, the atomic orientation and the variability of the thermal resistance at the boundaries according to the differences of atomic orientation on both sides of the barrier, were implemented. It was then necessary to test and implement different numerical methods to cope with the nonlinear and anisotropic characters of our diffusion model. Thus, we highlight the variations that the thermal field can undergo during a conduction process depending on the different microstructural contexts. It is through numerical campaigns, based on finite difference approaches, that we highlight the concrete impact of the microstructure on this phenomenon. Moreover, numerical observations have shown that the granular orientation is the parameter that dominates the impact of the microstructure. Finally, an experimental campaign is conducted to support the numerical observations. It presents a robust protocol to measure the impact of the granular orientation on the conductivity of a material.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en aérospatiale". Comprend des références bibliographique (pages 95-99).
Mots-clés libres:	conduction thermique, microstructure, orientation, anisotropie, différences finies
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Cloutier, Sylvain G.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie aérospatial
Date de dépôt:	05 janv. 2023 19:25
Dernière modification:	05 janv. 2023 19:25
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3129

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