Study of the thermo-mechanical and fracture behaviour of iron oxide scales at room temperature and at high temperature - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Study of the thermo-mechanical and fracture behaviour of iron oxide scales at room temperature and at high temperature

Etude du comportement thermo-mécanique et de fissuration d'oxydes de fer à température ambiante et à haute température

Victor Claverie
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1393141
  • IdRef : 278910173

Résumé

During the hot rolling process, a thin layer of oxide scale forms on the surface of steel slabs, leading to surface defects. Descaling, by applying high-pressure water to the steel surface, helps limit the thickness of the oxide and improve surface quality. This study aims to enhance the understanding of the phenomena involved in secondary descaling. Several low-carbon steel grades, characterised by differences in descaling, have been selected to analyse their discrepancies in industrial configurations. The behaviour of the oxide scale is evaluated through in situ high-temperature X-ray diffraction, enabling control over oxidation. This analysis includes both phase and stress evaluations to observe transitions in the behaviour of the oxide, particularly the relaxation of internal stresses above 700°C. Mechanical properties of the oxide are determined through indentation tests conducted at both room temperature and elevated temperatures. At lower temperatures (<600°C), indentation-induced cracks manifest in different patterns, consistent with a model of a hard film (the oxide) bending on a soft substrate (the metal), such as circular cracks and delamination. As the temperature increases, the oxide becomes ductile. Concurrently, numerical finite element simulations (FEM) of the indentation process are conducted to elucidate the mechanisms of fracture within the oxide layer. These simulations aim to extract essential fracture properties of the oxide layer and its interface. The acquired data will be used to develop a comprehensive model for hydraulic descaling.
Lors du laminage à chaud, une couche d'oxyde, la calamine, se forme à la surface des brames d'acier, responsable de défauts de surface. Le décalaminage, en envoyant de l'eau à haute pression à la surface de l'acier, permet de limiter l'épaisseur de l'oxyde, et donc d'améliorer la qualité de surface. L'objectif de cette étude est d'améliorer la compréhension des phénomènes mis en jeu lors du décalaminage secondaire à l'entrée du finisseur. Plusieurs nuances d'acier à faible teneur en carbone, caractérisées par des différences de décalaminage, sont choisies en vue d'analyser leurs disparités sur le plan industriel. Le comportement de la calamine est évalué par diffraction des rayons X à haute température de manière in situ, ce qui permet de reproduire un refroidissement contrôlé. Cette analyse comprend à la fois l'analyse des phases et des contraintes afin d'observer les transitions dans le comportement de l'oxyde, notamment la relaxation des contraintes internes au-delà de 700°C. Les propriétés mécaniques de l'oxyde sont évaluées par des essais d'indentation à température ambiante et à haute température. À faible température (<600°C), plusieurs familles de fissures se forment en indentations, compatibles avec un modèle de flexion d'une plaque dure (l'oxyde) sur un substrat mou (le métal) : fissures circulaires, délamination. À plus haute température, l'oxyde devient ductile. En parallèle, des simulations numériques par éléments finis (FEM) du processus d'indentation sont réalisées à l'aide du logiciel Abaqus® afin de mieux comprendre le mécanisme de fissuration et de délamination de l'oxyde. Ces simulations visent également à extraire les propriétés de fissuration de l'oxyde et de son interface. Ces données vont par la suite être utilisées pour une future modélisation complète du décalaminage hydraulique.
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Dates et versions

tel-04615324 , version 1 (18-06-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04615324 , version 1

Citer

Victor Claverie. Study of the thermo-mechanical and fracture behaviour of iron oxide scales at room temperature and at high temperature. Mechanics of materials [physics.class-ph]. Université Paris sciences et lettres, 2023. English. ⟨NNT : 2023UPSLM082⟩. ⟨tel-04615324⟩
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