Search

Ce travail poursuit une thématique phare du laboratoire : la caractérisation des propriétés physiques des métaux liquides à haute température (> 1 500 $^{\circ}$C). En effet, le développement de simulations numériques multiphysiques, dans notre cas de procédés métallurgiques, nécessite la connaissance des propriétés physiques des métaux à l'état liquide. Et cet état de la matière ne facilite pas leurs mesures. La littérature n'est cependant pas totalement vierge : les techniques de lévitation sont celles qui offrent le plus de succès mais requièrent des développements technologiques importants [1]. Nous en inspirant, un dispositif de lévitation aérodynamique d'échantillons métalliques chauffés par laser a été développé au laboratoire. Il a donné entière satisfaction pour la mesure à l'état liquide de masse volumique [2] et de tension de surface [3-4] ; pour la diffusivité de métaux à l'état solide, la faisabilité de l'estimation par méthodes bayésiennes a seulement été abordée [5]. En complément, la littérature propose également des résultats de viscosité [6-7]. Dans cette communication, nous étendons notre dispositif expérimental à la mesure de viscosité. Expérimentalement, des ondes acoustiques, propagées par le gaz de lévitation, provoquent la déformation de l'échantillon. Une caméra filme cette déformation durant sa relaxation (oscillations amorties). Un post-traitement trace l'évolution des diamètres principaux de l'échantillon (observable) au cours du temps (variable). Le modèle théorique de relaxation étant fonction de plusieurs paramètres, d'une étude sensibilité précède l'estimation de la viscosité par techniques inverses. Calculée à partir de la formule de Lamb, la viscosité est présentée en fonction de la température sur la plage 1 500 $^{\circ}$C – 2 000 $^{\circ}$C pour des échantillons de fer puis comparée avec la littérature. [1] Le Maux Dylan, Estimation de propriétés thermophysiques : application aux métaux à l'état liquide, thèse de doctorat, Université Bretagne Sud, 2020. [2] Le Maux, Dylan, et al. « Density measurement of liquid 22MnB5 by aerodynamic levitation ». Review of Scientific Instruments, vol. 90, no 7, juillet 2019, p. 074904. [3] Le Maux, Dylan, et al. « Surface Tension of Liquid Fe, Nb and 304L SS and Effect of Drop Mass in Aerodynamic Levitation ». Journal of Materials Science, vol. 57, no 25, juillet 2022, p. 12094 106. [4] Klapczynski, Vincent, et al. « Surface Tension Measurements of Liquid Pure Iron and 304L Stainless Steel under Different Gas Mixtures ». Journal of Molecular Liquids, vol. 350, mars 2022, p. 118558. [5] Lamien, Bernard, et al. « A Bayesian Approach for the Estimation of the Thermal Diffusivity of Aerodynamically Levitated Solid Metals at High Temperatures ». International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 141, octobre 2019, p. 265 81. [6] Battezzati, L., et A. L. Greer. « The Viscosity of Liquid Metals and Alloys ». Acta Metallurgica, vol. 37, no 7, juillet 1989, p. 1791 802. [7] Bakhtiyarov, S. I., et R. A. Overfelt. « Measurement of Liquid Metal Viscosity by Rotational Technique ». Acta Materialia, vol. 47, no 17, novembre 1999, p. 4311 19.

International audience; This article presents the temperature and emissivity estimation of metals around their melting points using different techniques, which are based on deterministic (ordinary least squares) and Bayesian approaches. Linear and non-linear models are examined. The experimental data consist of radiative fluxes at six wavelengths, collected by a pyrometer. The apparatus is dedicated to the characterization of the physical properties of millimeter-sized metal samples at high temperatures, combining aerodynamic levitation and laser heating. Tests are performed on two metals: niobium with well-known temperature and steel.; Cet article présente l'estimation de la température et de l'émissivité des métaux autour de leur point de fusion à l'aide de différentes techniques, basées sur des approches déterministes (moins carrés ordinaires) et bayésienne. Des modèles linéaires et non linéaires sont examinés. Les données expérimentales consistent en des flux radiatifs à six longueurs d'onde, collectés par un pyromètre. L'appareil est dédié à la caractérisation des propriétés physiques d'échantillons métalliques de taille millimétrique à haute température, combinant lévitation aérodynamique et chauffage laser. Des tests sont effectués sur deux métaux : le niobium, à température de fusion bien connue, et l'acier.

La tension de surface du métal liquide est un élément clé dans la modélisation numérique de procédés tel que le soudage et la fabrication additive métallique. Il est par exemple possible de prédire la forme du bain fondu connaissant la thermo-dépendance de la tension de surface aussi appelé effet Marangoni. Cependant, concernant les aciers, cette propriété est mal connue. Un dispositif expérimental est donc en développement afin de mesurer les propriétés thermophysiques dont la tension de surface de métaux liquides. Ce dispositif a déjà permis de mesurer la densité de corps purs ainsi que d'aciers commerciaux sur une gamme de 1 000 $^{\circ}$C au-delà du point de fusion avec une précision de $\pm$~1\% [1]. La mesure de la tension de surface se fait ici avec la méthode de la goutte oscillante. Un échantillon de métal est mis en lévitation et chauffé par laser jusqu'à atteindre l'état liquide à une température contrôlée. Dans ce travail, une sollicitation acoustique est employée pour faire osciller la goutte : un signal sinusoïdal est généré, amplifié et transformé en ondes de pression par un haut-parleur. La formule de Rayleigh permet de déterminer la tension de surface directement à partir de la fréquence de résonnance d'une goutte [2]. Cependant, une goutte oscillante peut être sujette à plusieurs rotations et à une déformation statique pouvant induire différents modes d'oscillations et donc plusieurs fréquences caractéristiques. Pour déterminer le nombre et la valeur de ces fréquences, une transformée de Fourier est faite sur la variation temporelle des diamètres de la goutte oscillante, donnant un spectre d'amplitude de fréquences. Dans la littérature, une moyenne quadratique de ces fréquences est généralement faite pour estimer la fréquence de résonnance, à condition de pouvoir faire correspondre les fréquences caractéristiques à leur mode d'oscillation. Sans attention particulière, la goutte tourne sur elle-même de manière hasardeuse, ce qui empêche de faire cette correspondance. Dans ces travaux, un jet de gaz latéral est développé et appliqué sur la goutte afin de forcer la rotation selon un axe vertical à une vitesse suffisamment importante pour prévenir toute autre oscillation que celle du mode 2 pur. Il en résulte un spectre ne comportant plus qu'une fréquence caractéristique. En la considérant comme la fréquence de résonnance, la tension de surface est calculée avec la formule de Rayleigh. La méthode de mesure de la tension de surface est validée sur plusieurs corps purs à différents niveaux de température entre 1 500 et 2 200 $^{\circ}$C. Cette propriété étant très sensible à la pollution du matériau notamment par oxydation, une attention particulière est portée sur l'influence de l'oxygène. Par la suite, la méthode de la goutte oscillante sera également exploitée pour la mesure de la viscosité. \footnotesize{ \noindent ~[1] D. Le Maux, M. Courtois, T. Pierre, B. Lamien, et P. Le Masson, « Density measurement of liquid 22MnB5 by aerodynamic levitation », Rev. Sci. Instrum., vol. 90, no 7, p. 074904, juill. 2019. \noindent ~[2] Lord Rayleigh, « On The Instability Of Jets », Proc. Lond. Math. Soc., vol. s1-10, no 1, p. 4‑13, nov. 1878.}

National audience; Nous rapportons quelques résultats les plus pertinents de calculs des propriétés de transport atomique du magnésium à unetempérature juste au dessus du point de fusion. Le point de départ est une description des interactions interioniques au moyend’un potentiel de paires. Celui-ci est construit dans le formalisme des pseudopotentiels ab initio en utilisant deux modèlespour les comparer: le modèle BHS et une version plus raffinée le modèle OB. Dans une seconde étape, nous mettons enoeuvre la méthode de simulation numérique par dynamique moléculaire pour déterminer d’une part la structure ionique etd’autre part pour étudier, grâce à des fonctions d’autocorrélations temporelles appropriées, le phénomène d’autodiffusion etla viscosité. Ces fonctions introduites dans l’équation de Green-Kubo permettent le calcul des coefficients de transport (lecoefficient de diffusion et la viscosité dynamique). De manière générale, avec le modèle OB les prédictions théoriquesrestent raisonnables en comparaison avec les données expérimentales et d’autres calculs théoriques.

The study presented in this report concerns theoretical and experimental modelisation of secondary atomization process. In the analytic part, a new model of fragmentation of droplets has been developed and studied. This model has shown a good accuracy compared to experimental results, especially at low Weber numbers. Though, further modifications are expected to improve modeling at a wide range of Weber and Ohnesorge numbers. In the experimental part, a molten metal drop-on-demand generator has been successfully designed and manufactured. This generator is characterized by its ability to produce large droplets (diameter up to 1 centimeter). Studying the physical properties of Field metal was essential to finish the previous design. This metal has shown a complex rheological behavior. After many experiments using glycerin and Field metal, the droplet generator has proven a good reproducibility regarding the number of the droplets produced and their size.; L’étude présentée dans ce rapport porte sur la modélisation analytique et expérimentale du processus de l’atomisation secondaire. De la part analytique, un nouveau modèle de la fragmentation de gouttes est développé et étudié. Ce résultat a montré une bonne efficacité comparé aux résultats expérimentaux, surtout pour des faibles nombre de Weber. De modifications sur le modèle sont attendus d’améliorer la modélisation à une large gamme de nombres de Weber et d’Ohnesorge. De la part expérimentale, un générateur goutte à goutte de métal fondu a été conçu fabriqué. Ce générateur se caractérise par sa capacité à produire de larges gouttes (diamètre d’ordre centimétrique). L’étude de propriétés du métal de Field était essentielle pour terminer la conception du générateur. Ce métal a montré un comportement rhéologique complexe. Après plusieurs expériences utilisant la glycérine et le métal de Field, le générateur de gouttes a montré une bonne reproductibilité quant au nombre de gouttes produites et leur taille.

The physical and thermodynamical properties of liquid metals depend on the electronic structure. The ionic structure is described either by the pair correlation function in real space or by the structure factor in reciprocal space which is directly accessible by neutrons or X rays diffraction measurements. Pseudopotential formalism allows us to construct an ionic effective potential. It is used in Molecular Dynamics simulation to study the static properties like the atomic structure and the dynamic ones like diffusion and viscosity. These calculations have been done for liquid tin, for noble metals and for theirs alloys forming lead-free solders. We first describe in chapter I the different properties of liquid metals. In chapter II we present the pseudopotential formalism and the Molecular Dynamics method. In chapter III we first test different pseudopotentials on liquid tin and we prove that the Shaw local model potential is the only one able to describe adequately the atomic structure. Then we used it to determine the diffusion coefficient from the velocity autocorrelation function and from its Fourier transform: the spectral density. Finally, we calculated, for the first time to our knowledge, the shear viscosity of liquid tin with Green-Kubo formula by integrating the stress autocorrelation function. It is also particularly difficult to describe correctly liquid noble metals with pseudopotentials since their density of states is influenced by their d band. To overcome this difficulty we associate the concept of effective valence (determined theoretically) to the Shaw local potential. The calculated structure factors as function of temperature are in a very good agreement with the experimental ones. The adequacy of the choice of our pseudopotential is confirmed by the results of diffusion coefficients and shear viscosities. The properties of pure metals and alloys (lead free solders) as function of temperature are in good agreement with experimental values proving that the Shaw local pseudopotential is transferable to alloys. This confirms our initial choice of pseudopotential and effective valence. Having a good knowledge of diffusion and viscosity is very important from an industrial point of view. Indeed, we need understanding technological problems linked to the wetting of a solder on a substrate and to the formation of intermetallics between the solder and the substrate, Les propriétés physiques et thermodynamiques des métaux liquides dépendent de la structure électronique. La structure ionique est décrite soit par la fonction de corrélation de paires dans l'espace réel ou par le facteur de structure dans l'espace réciproque. Celui-ci est directement accessible par diffraction de neutrons ou de rayons X. Le formalisme du pseudopotentiel nous permet de construire le potentiel effectif interionique, ce dernier est utilisé dans la simulation par dynamique moléculaire pour étudier les propriétés statiques comme la structure atomique et les propriétés dynamiques comme la diffusion et la viscosité. Les calculs ont été faits pour l'étain liquide, pour les métaux nobles ainsi que pour leurs alliages constituant les soudures sans plomb. Nous décrivons dans le premier chapitre les différentes propriétés des métaux liquides. Dans le chapitre II, nous présentons le formalisme du pseudopotentiel et la méthode de simulation par dynamique moléculaire. Dans le chapitre III, nous testons d'abord différents pseudopotentiels sur l'étain liquide et nous prouvons que le pseudopotentiel de Shaw local est le seul qui décrit d'une manière correcte la structure atomique. On utilise ensuite ce potentiel pour déterminer le coefficient de diffusion à partir de la fonction d'autocorrélation de vitesse et de sa transformée de Fourier: la densité spectrale. La viscosité de cisaillement est enfin calculée, pour la première fois à notre connaissance, pour l'étain liquide en utilisant la formule de Green-Kubo par intégration de la fonction d'autocorrélation des contraintes. Il est aussi particulièrement difficile de décrire correctement les métaux nobles avec la théorie des pseudopotentiels. En effet leur densité d'états est influencée par leur bande d. Pour surmonter cette difficulté, nous associons le concept de valence effective au potentiel de Shaw local. Les facteurs de structure calculés en fonction de la température sont en très bon accord avec les valeurs expérimentales. L'adéquation du choix du pseudopotentiel est confirmée par les résultats des coefficients de diffusion et de viscosités de cisaillement. Les propriétés des métaux purs et des alliages (soudures sans plomb) calculées en fonction de la température sont en bon accord avec les valeurs expérimentales, prouvant que le pseudopotentiel est transférable aux alliages. Cela confirme notre choix initial du pseudopotentiel local de Shaw et l'introduction du concept de valence effective. Une bonne connaissance de la diffusion et de la viscosité est très importante d'un point de vue industriel pour comprendre les problèmes technologiques liés au mouillage des substrats par les soudures et à la formation d'intermétalliques entre les soudures et le substrat

National audience; L'agrégation de petites particules dans un métal liquide est un phénomène gênant et mal connu, qui se produit dans les réacteurs sidérurgiques. La difficulté d'effectuer des expériences réalistes permettant de le quantifier se traduit par une absence de données expérimentales. Nous avons dimensionné et construit un réacteur de laboratoire compatible avec un métal liquide et adapté à l'étude de l'agrégation. Différents modes opératoires seront décrits et quelques résultats expérimentaux relatifs à l'état d'agrégation des particules seront présentés.

Magnetohydrodynamics describes the motions of an electrically conducting fluid under the influence of magnetic fields. Such flows are encountered in a large variety of applications, from steel industry to heat exchangers of nuclear fusion reactors. Here we are concerned with situations where the magnetic field is relatively strong and the flow manifests turbulent motions. The interaction of the fluid with the electromagnetic field is still insufficiently understood and efficient predicting methods are lacking. Our goal is to provide more insight on this problem by making heavy use of numerical methods. In this work, two different classes of problem are investigated. First we consider that the turbulent character of the fluid is well developed and that solid boundaries are sufficiently far away to be completely neglected. The main effects of a strong magnetic field in that case are to damp the motion and to homogenize the flow along its direction, leading to a quasi two dimensional state. Using numerical simulations we have studied the dynamics of the flow in Fourier space and in particular the non linear energy transfers between turbulent eddies. Further we investigated the scale-by-scale anisotropy and compared various methods to address this quantity. Finally, the evolution of a passive scalar embedded in the flow was analyzed and it turned out that the characteristic anisotropy of the velocity field is reflected in the distribution of the scalar quantity. In the second problem, the flow in a duct of square cross section subject to a transverse magnetic field has been considered. Here, unlike in the previous situation, the magnetic field has globally a destabilizing effect on the flow, because of the strong inhomogeneities it produces. For instance, high velocity regions develop along the walls that are parallel to the magnetic field. There, we are mostly interested in the possible development of persistent time-dependent fluctuations. It is observed that the transition between laminar and turbulent regimes occurs through at least two distinct bifurcations. The first one takes place at moderate Reynolds number and is characterized by highly organized fluctuations. The second is encountered at higher Reynolds number and presents very strong and localized disturbances./Il existe un grand nombre d'applications industrielles dans lesquelles un écoulement de métal liquide est soumis à un champ magnétique. La production d'acier par coulée continue, la fabrication de matériaux semi-conducteurs ou encore les échan-geurs de chaleur des futurs réacteurs à fusion nucléaire en sont de bons exemples. L'interaction du liquide conducteur avec le champ magnétique est à l'origine de nombreux phénomènes inhabituels en hydrodynamique classique et doit dès lors être décrite par la magnétohydrodynamique (ou MHD en abrégé). Le but de ce travail est d'étudier la physique de ces interactions, en se basant sur la résolution numérique des équations qui les gouvernent.Plusieurs aspects du problème ont été considérés indépendamment. Tout d'abord, l'étude de la turbulence homogène a permis de mettre en evidence les comportements du fluide loin de toute paroi solide. Ceci est mis un oeuvre dans un domaine spatial périodique, où les variables sont représentées par leur série de Fourier. L'influence du champ magnétique dans ce cas consiste à dissiper les fluctuations turbulentes et à rendre le champ de vitesse anisotrope. Les principaux résultats obtenus dans ce cadre concernent la distribution ainsi que le transfert d'énergie dans l'espace spectral, l'anisotropie des différentes échelles turbulentes de l'écoulement ainsi que le transport d'un scalaire passif au sein du fluide. Dans un deuxième temps, le travail a porté sur l'écoulement dans une conduite rectangulaire soumise à un champ magnétique et dont les parois sont conductrices d'électricité. La particularité de cet écoulement réside dans les zones de vitesse élevées qui se développent le long des parois parallèles au champ magnétique. Celles-ci donnent lieu à un intense cisaillement qui a généralement pour effet de rendre l'écoulement instable. La simulation numérique de ce problème a permis l'étude des instabilités au sein du fluide et de la transition du régime laminaire vers la turbulence., Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/nonPublished

Magnetohydrodynamics describes the motions of an electrically conducting fluid under the influence of magnetic fields. Such flows are encountered in a large variety of applications, from steel industry to heat exchangers of nuclear fusion reactors. Here we are concerned with situations where the magnetic field is relatively strong and the flow manifests turbulent motions. The interaction of the fluid with the electromagnetic field is still insufficiently understood and efficient predicting methods are lacking. Our goal is to provide more insight on this problem by making heavy use of numerical methods. In this work, two different classes of problem are investigated. First we consider that the turbulent character of the fluid is well developed and that solid boundaries are sufficiently far away to be completely neglected. The main effects of a strong magnetic field in that case are to damp the motion and to homogenize the flow along its direction, leading to a quasi two dimensional state. Using numerical simulations we have studied the dynamics of the flow in Fourier space and in particular the non linear energy transfers between turbulent eddies. Further we investigated the scale-by-scale anisotropy and compared various methods to address this quantity. Finally, the evolution of a passive scalar embedded in the flow was analyzed and it turned out that the characteristic anisotropy of the velocity field is reflected in the distribution of the scalar quantity. In the second problem, the flow in a duct of square cross section subject to a transverse magnetic field has been considered. Here, unlike in the previous situation, the magnetic field has globally a destabilizing effect on the flow, because of the strong inhomogeneities it produces. For instance, high velocity regions develop along the walls that are parallel to the magnetic field. There, we are mostly interested in the possible development of persistent time-dependent fluctuations. It is observed that the transition between laminar and turbulent regimes occurs through at least two distinct bifurcations. The first one takes place at moderate Reynolds number and is characterized by highly organized fluctuations. The second is encountered at higher Reynolds number and presents very strong and localized disturbances. /Il existe un grand nombre d'applications industrielles dans lesquelles un écoulement de métal liquide est soumis à un champ magnétique. La production d'acier par coulée continue, la fabrication de matériaux semi-conducteurs ou encore les échan-geurs de chaleur des futurs réacteurs à fusion nucléaire en sont de bons exemples. L'interaction du liquide conducteur avec le champ magnétique est à l'origine de nombreux phénomènes inhabituels en hydrodynamique classique et doit dès lors être décrite par la magnétohydrodynamique (ou MHD en abrégé). Le but de ce travail est d'étudier la physique de ces interactions, en se basant sur la résolution numérique des équations qui les gouvernent. Plusieurs aspects du problème ont été considérés indépendamment. Tout d'abord, l'étude de la turbulence homogène a permis de mettre en evidence les comportements du fluide loin de toute paroi solide. Ceci est mis un oeuvre dans un domaine spatial périodique, où les variables sont représentées par leur série de Fourier. L'influence du champ magnétique dans ce cas consiste à dissiper les fluctuations turbulentes et à rendre le champ de vitesse anisotrope. Les principaux résultats obtenus dans ce cadre concernent la distribution ainsi que le transfert d'énergie dans l'espace spectral, l'anisotropie des différentes échelles turbulentes de l'écoulement ainsi que le transport d'un scalaire passif au sein du fluide. Dans un deuxième temps, le travail a porté sur l'écoulement dans une conduite rectangulaire soumise à un champ magnétique et dont les parois sont conductrices d'électricité. La particularité de cet écoulement réside dans les zones de vitesse élevées qui se développent le long des parois parallèles au champ magnétique. Celles-ci donnent lieu à un intense cisaillement qui a généralement pour effet de rendre l'écoulement instable. La simulation numérique de ce problème a permis l'étude des instabilités au sein du fluide et de la transition du régime laminaire vers la turbulence., Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/published

The aim of this thesis is manifold ; firstly showing the quality of Shaw local pseudo-potential to describe the structure of polyvalents metals and his transferability to alloys. Secondly doing the experimental study by neutron scattering of structure of the hetero-coordinated Mn-Zn liquid alloy, and highlighting the critical phenomenon of demixing for Bi-Ga liquid alloy with experimental tools (X-rays and neutrons) and structural simulation Reverse Monte-Carlo (RMC). This thesis is divided into two parts. In the first part, we develop the pseudo-potentials theory necessary to obtain the inter-ionic potential for both pure metals and alloys, we define the structural quantities which are the pair correlation functions and the structure factors, we present the molecular dynamics method. Then we will present and discuss our results obtained using the effective potential and molecular dynamics. These results concern the calculation of structural quantities of pure polyvalent metals (Al, Ga, Cd, In, Sn, Tl, Pb, Bi),and their alloys whose experimental data are avaible (Bi-Pb, Pb-Sn et Ga-Pb). We particulary discuss the transferability of the Shaw local pseudo-potential from pure liquid to liquid alloy. In the second part, we detail the process of diffusion of the two experimental methods most used for determining the structure of liquid metals and their alloys, which are the neutron scattering and X-ray diffraction. We explain the standard and magnetic methods of correction used for the Mn-Zn liquid alloy. We will also present the RMC structural simulation that will be used to highlight the local order in the Bi-Ga liquid alloy structure witch present a threshold of miscibility, L'objectif de cette thèse est double : premièrement montrer la qualité du pseudo-potentiel local de Shaw pour décrire la structure des métaux polyvalents et sa transférabilité aux alliages ; deuxièmement l'étude expérimentale par diffusion neutronique de la structure de l'alliage hétéro-coordonné Mn-Zn, et la mise en évidence du phénomène critique de démixtion pour l'alliage Bi-Ga avec des outils expérimentaux (rayons X et neutrons) et numériques (Monte-Carlo inverse). Ce travail de thèse s'articule en deux parties. Dans la première partie, nous développerons la théorie des pseudo-potentiels nécessaire à l'obtention des potentiels inter-ioniques tant pour les métaux purs que pour leurs alliages, nous définirons les grandeurs structurales qui sont les fonctions de corrélation de paire et les facteurs de structure et nous présenterons la méthode de la dynamique moléculaire. Ces résultats concernent le calcul des grandeurs structurales des métaux polyvalents purs (Al, Ga, Cd, In, Sn, Tl, Pb, Bi) et de leurs alliages dont les données expérimentales sont indisponibles (Bi-Pb, Pb-Sn et Ga-Pb). Nous y discuterons tout particulièrement la transférabilité du pseudo-potentiel de Shaw local à l'alliage. Dans la deuxième partie, nous détaillerons les processus de diffusion des deux méthodes expérimentales les plus utilisées pour la détermination de la structure des métaux liquides et de leurs alliages et qui sont la diffusion de neutrons et la diffraction des rayons X. Nous développerons les méthodes de corrections standards et manétiques utilisées pour l'alliage liquide Mn-Zn. Nous décrirons aussi la méthode RMC de simulation structurelle qui sera utilisée pour la mise en évidence de l'ordre local de l'alliage liquide Bi-Ga présentant un seuil de miscibilité

Several physical, technological, instrumental and industrial objectives were treated in this thesis. Anomaly of resistivity of liquid alloys observed during a first temperature rise. It is interesting to try to understand the mechanism at the origin of this phenomenon. Bismuth alloys to understand the behaviour of pure heavy metals and alloyed with a second metal (In). We discussed for bismuth the choice of the valence as well pure as allied to indium to interpret the electronic transport. Exhaustive study, (in collaboration with Chemnitz TU in the frame of COST MP0602) of new compositions of high temperatures solders based on Sn-Ag doped with In, Ge and Bi in order to improve the solders characteristics. We studied electrical and thermal conductivity, surface tension and mass density of these alloys. Use of an automated device of simultaneous measure of resistivity and Seebeck coefficient to characterize phase and structure transitions in solid metallic alloys. We showed the usefulness of the device as a method of "non destructive testing" by characterizing the recrystallisation of metallic amorphous ribbons. We interpreted the transport properties using the Ziman formalism and proved that this formalism could be also used to interpret the electronic transport of solid. Study of the electronic transport, in the liquid state, of alloy compositions giving quasi-crystals in the solid state. Almost no study on such kind of materials had been published before to our knowledge, Plusieurs problématiques physiques, technologiques, instrumentales et industrielles ont été traitées dans ce travail, Anomalies de résistivité d?alliages liquides observées lors d?une première montée en température. Il est intéressant d?essayer de comprendre le mécanisme à l?origine de ce phénomène. Alliage à base de bismuth pour comprendre le comportement des métaux lourds purs et alliés à un second métal (In). Nous avons discuté le choix de la valence du bismuth pur ainsi qu?allié à l?indium pour interpréter le transport électronique. Étude exhaustive, en collaboration avec la TU de Chemnitz dans le cadre de COST MP0602, de nouvelles compositions de soudures "hautes températures" à base de Sn-Ag dopés In, Ge et Bi susceptibles d?améliorer les caractéristiques des soudures. Nous avons étudié les conductivités électriques et thermiques, la tension superficielle et la densité de ces alliages. Utilisation du dispositif automatique de mesure simultanée de résistivité et du coefficient de Seebeck pour caractériser des transformations de phase et de structures d?alliages métalliques solides. Nous avons montré l?utilité du dispositif en tant que méthode de "contrôle non destructif" en caractérisant la recristallisation de rubans d?amorphes métalliques. Nous avons interprété les propriétés de transport grâce au formalisme de Ziman, prouvant ainsi que ce formalisme pouvait être utilisé pour interpréter le transport électronique de solides. Étude à l?état liquide, de transport électronique d?alliages à des compositions donnant des quasi cristaux à l?état solide. Presque aucune étude sur des matériaux de ce type n?avait été réalisée auparavant à notre connaissance

The aim of this thesis is manifold ; firstly showing the quality of Shaw local pseudo-potential to describe the structure of polyvalents metals and his transferability to alloys. Secondly doing the experimental study by neutron scattering of structure of the hetero-coordinated Mn-Zn liquid alloy, and highlighting the critical phenomenon of demixing for Bi-Ga liquid alloy with experimental tools (X-rays and neutrons) and structural simulation Reverse Monte-Carlo (RMC). This thesis is divided into two parts. In the first part, we develop the pseudo-potentials theory necessary to obtain the inter-ionic potential for both pure metals and alloys, we define the structural quantities which are the pair correlation functions and the structure factors, we present the molecular dynamics method. Then we will present and discuss our results obtained using the effective potential and molecular dynamics. These results concern the calculation of structural quantities of pure polyvalent metals (Al, Ga, Cd, In, Sn, Tl, Pb, Bi),and their alloys whose experimental data are avaible (Bi-Pb, Pb-Sn et Ga-Pb). We particulary discuss the transferability of the Shaw local pseudo-potential from pure liquid to liquid alloy. In the second part, we detail the process of diffusion of the two experimental methods most used for determining the structure of liquid metals and their alloys, which are the neutron scattering and X-ray diffraction. We explain the standard and magnetic methods of correction used for the Mn-Zn liquid alloy. We will also present the RMC structural simulation that will be used to highlight the local order in the Bi-Ga liquid alloy structure witch present a threshold of miscibility, L'objectif de cette thèse est double : premièrement montrer la qualité du pseudo-potentiel local de Shaw pour décrire la structure des métaux polyvalents et sa transférabilité aux alliages ; deuxièmement l'étude expérimentale par diffusion neutronique de la structure de l'alliage hétéro-coordonné Mn-Zn, et la mise en évidence du phénomène critique de démixtion pour l'alliage Bi-Ga avec des outils expérimentaux (rayons X et neutrons) et numériques (Monte-Carlo inverse). Ce travail de thèse s'articule en deux parties. Dans la première partie, nous développerons la théorie des pseudo-potentiels nécessaire à l'obtention des potentiels inter-ioniques tant pour les métaux purs que pour leurs alliages, nous définirons les grandeurs structurales qui sont les fonctions de corrélation de paire et les facteurs de structure et nous présenterons la méthode de la dynamique moléculaire. Ces résultats concernent le calcul des grandeurs structurales des métaux polyvalents purs (Al, Ga, Cd, In, Sn, Tl, Pb, Bi) et de leurs alliages dont les données expérimentales sont indisponibles (Bi-Pb, Pb-Sn et Ga-Pb). Nous y discuterons tout particulièrement la transférabilité du pseudo-potentiel de Shaw local à l'alliage. Dans la deuxième partie, nous détaillerons les processus de diffusion des deux méthodes expérimentales les plus utilisées pour la détermination de la structure des métaux liquides et de leurs alliages et qui sont la diffusion de neutrons et la diffraction des rayons X. Nous développerons les méthodes de corrections standards et manétiques utilisées pour l'alliage liquide Mn-Zn. Nous décrirons aussi la méthode RMC de simulation structurelle qui sera utilisée pour la mise en évidence de l'ordre local de l'alliage liquide Bi-Ga présentant un seuil de miscibilité

One studies the possibility of describing transitions from liquid phase - liquid in simple metal alloys presenting a threshold of decomposition starting from the theory from the pseudopotentials and the associated effective potentials. More precisely, one considers on the one hand, of the pseudopotentials to conservative standard without adjustable parameters and, on the other hand, various local models with one or two parameters, with for objective establishing the chain of relations: pseudopotentiel3potentiel effectif3structure+dCmixtion in alloy. From this point of view, the relevant sizes necessary to the study of decomposition are, in general, the factors of structure partial of alloys, and, in particular, the factor of structure of fluctuation concentration-concentration Scc(q) of Bhatia-Thornton. Indeed the divergence of this size, close to the origin of the module of the vector of diffusion (q = 0), signature of an instability spinodal, is more easily verifiable in experiments than on the other factors. Thus by this approach, the localization of the line spinodal according to the concentration of the species was made possible. Initially, the development in disturbance "RPA" of the model of the hard spheres to highlight a divergence of the factors of structure was employed, because of its simplicity and its speed of numerical execution. Systematic was applied to the cases of the alloys Li-Na, AI-In known for their broad zone of decomposition. The validity of the qualitative conclusions obtained starting from the "RPA" was then checked by a rigorous determination of the factors of structure per digital simulation of the molecular dynamic type. The aptitude of the various models of pseudopotentials to predict decomposition could be thus discussed, On étudie la possibilité de décrire des transitions de phase liquide - liquide dans des alliages de métaux simples présentant un seuil de démixtion à partir de la théorie des pseudopotentiels et des potentiels effectifs associés. Plus précisément, on considère d'une part, des pseudopotentiels à norme conservative sans paramètres ajustables et, d'autre part, différents modèles locaux à un ou deux paramètres, avec pour objectif d'établir la chaîne de relations : pseudopotentiel - potentiel effectif - structure +démixtion dans l'alliage. De ce point de vue, les grandeurs pertinentes nécessaires à l'étude de la démixtion sont, en général, les facteurs de structure partiels des alliages, et, en particulier, le facteur de structure de fluctuation concentration-concentration Scc(q) de Bhatia-Thornton . En effet la divergence de cette grandeur, près de l'origine du module du vecteur de diffusion (q = O), signature d'une instabilité spinodale, est plus aisément vérifiable expérimentalement que sur les autres facteurs. Ainsi par cette approche, la localisation de la ligne spinodale en fonction de la concentration des espèces a été rendue possible. Dans un premier temps, le développement en perturbation « RPA » du modèle des sphères dures pour mettre en évidence une divergence des facteurs de structure a été employé, en raison de sa simplicité et de sa rapidité d'exécution numérique Une systématique a été appliquée aux cas des alliages Li-Na, Al-In connus pour leur large zone de démixtion. La validité des conclusions qualitatives obtenues à partir de la « RPA » a été ensuite vérifiée par une détermination rigoureuse des facteurs de structure par simulation numérique du type dynamique moléculaire. L'aptitude des différents modèles de pseudopotentiels à prédire une démixtion a pu être ainsi été discutée

The resistivity of four liquid metals (Al, Na, Pb and Mn) just above the melting point have been calculated from the optical conductivity expressed in the Kubo-Greenwood formalism. The numerical simulations have been carried out within the SIESTA code based on the framework of the finite density functional theory combined with molecular dynamics. A relatively modest supercell size suffices to obtain results better than 1% compared towards the experimental values. It stems from a faithful description of the density of states owing to the flexible basis set up of double-zeta plus polarization functions. In order to reach agreement with experiment it is essential for liquid Na to correct the non locality of the pseudopotential when the dipolar matrix elements are performed. Both a magnetic and a non magnetic solution have been evidenced for liquid Mn. The Ziman approach as well as the Greenwood-Kubo one show that the magnetic solution leads to the best agreement with the measured resistivity. The magnetic solution exhibits an antiferromagnetic ordering where each pair of neighbour atoms bears local magnetic moments pointing in opposite direction giving rise to zero magnetization over the cell.The convincing results obtained for Al, Na, Pb and Mn indicate that the SIESTA code is appropriate to study all types of liquid metals such as simple, polyvalent and transition elements, aLa résistivité des quatre métaux liquides (Al, Na, Pb et Mn) a été calculée juste au dessus du point de fusion à partir de la conductivité optique exprimée dans le formalisme de Greenwood-Kubo. Les simulations numériques ont été effectuées avec le code SIESTA basé sur la théorie de la fonctionnelle de la densité couplée avec la dynamique moléculaire quantique. Une supercellule de taille relativement modeste suffit pour obtenir des résultats à mieux de 1% des' valeurs expérimentales. Ce résultat provient d'une description correcte de la densité d'états grâce à la flexibilité de la base constituée de fonctions double zéta avec polarisation. Pour réaliser l'accord avec l'expérience dans le cas de sodium, il est primordial d'apporter une correction aux éléments de matrice dipolaire calculés via l'opérateur impulsion à cause de la non localité du pseudopotentiel. Concernant le manganèse en phase liquide nous avons établirpar le code SIESTA l'existence d'une solution magnétique et non magnétique. Que ce soit l'approche de Ziman ou celle de Greenwood-Kubo nous obtenons le meilleur accord avec la résistivité kxpérimentale pour la solution magnétique. La solution magnétique est de type!antiferromagnétique ou chaque paire d'atomes plus proches voisins portent des moments locaux en sens opposés donnant lieu à un moment total nul pour la cellule. Les résultats probants obtenus pour l'Al, Na, Pb et Mn montrent que le code SIESTA présente l'avantage de s'appliquer à tous les types de métaux en phase liquide qu'ils soient simples, polyvalents légers ou lourds, ou de transition

One studies the possibility of describing transitions from liquid phase - liquid in simple metal alloys presenting a threshold of decomposition starting from the theory from the pseudopotentials and the associated effective potentials. More precisely, one considers on the one hand, of the pseudopotentials to conservative standard without adjustable parameters and, on the other hand, various local models with one or two parameters, with for objective establishing the chain of relations: pseudopotentiel3potentiel effectif3structure+dCmixtion in alloy. From this point of view, the relevant sizes necessary to the study of decomposition are, in general, the factors of structure partial of alloys, and, in particular, the factor of structure of fluctuation concentration-concentration Scc(q) of Bhatia-Thornton. Indeed the divergence of this size, close to the origin of the module of the vector of diffusion (q = 0), signature of an instability spinodal, is more easily verifiable in experiments than on the other factors. Thus by this approach, the localization of the line spinodal according to the concentration of the species was made possible. Initially, the development in disturbance "RPA" of the model of the hard spheres to highlight a divergence of the factors of structure was employed, because of its simplicity and its speed of numerical execution. Systematic was applied to the cases of the alloys Li-Na, AI-In known for their broad zone of decomposition. The validity of the qualitative conclusions obtained starting from the "RPA" was then checked by a rigorous determination of the factors of structure per digital simulation of the molecular dynamic type. The aptitude of the various models of pseudopotentials to predict decomposition could be thus discussed, On étudie la possibilité de décrire des transitions de phase liquide - liquide dans des alliages de métaux simples présentant un seuil de démixtion à partir de la théorie des pseudopotentiels et des potentiels effectifs associés. Plus précisément, on considère d'une part, des pseudopotentiels à norme conservative sans paramètres ajustables et, d'autre part, différents modèles locaux à un ou deux paramètres, avec pour objectif d'établir la chaîne de relations : pseudopotentiel - potentiel effectif - structure +démixtion dans l'alliage. De ce point de vue, les grandeurs pertinentes nécessaires à l'étude de la démixtion sont, en général, les facteurs de structure partiels des alliages, et, en particulier, le facteur de structure de fluctuation concentration-concentration Scc(q) de Bhatia-Thornton . En effet la divergence de cette grandeur, près de l'origine du module du vecteur de diffusion (q = O), signature d'une instabilité spinodale, est plus aisément vérifiable expérimentalement que sur les autres facteurs. Ainsi par cette approche, la localisation de la ligne spinodale en fonction de la concentration des espèces a été rendue possible. Dans un premier temps, le développement en perturbation « RPA » du modèle des sphères dures pour mettre en évidence une divergence des facteurs de structure a été employé, en raison de sa simplicité et de sa rapidité d'exécution numérique Une systématique a été appliquée aux cas des alliages Li-Na, Al-In connus pour leur large zone de démixtion. La validité des conclusions qualitatives obtenues à partir de la « RPA » a été ensuite vérifiée par une détermination rigoureuse des facteurs de structure par simulation numérique du type dynamique moléculaire. L'aptitude des différents modèles de pseudopotentiels à prédire une démixtion a pu être ainsi été discutée

Most metallurgical processes, such as steel refining or nuclear waste processing; the interfaces between two liquid phases are the regions of mass transfer. These transfers require the implementation of a means of stirring to accelerate the kinetics of the pollutants transfer between both phases. This thesis deals with the use of the electromagnetic forces to stir, without any material contact, the bath core and the interface in order to control or even increase the kinetic transfers. To achieve this, two complementary experimental installations were used. The first experiment allows the measurement of the Indium transfer, initially dissolved in mercury towards a covering electrolyte layer and the velocity field in mercury. The performed experiments, determine the topology of the fields flows speeds in the mercury bath, moreover the behaviour of the transfer kinetics versus the intensity of the magnetic field are established. This evolution is correlated with the dynamic behaviour of the mercury surface. The second installation allows the characterization of an element transfer (Pb, Zr or Ce) initially contained in a fluorinated salt towards an antimony matrix containing lithium. It appears that all transfers kinetics are very fast. The proposed experimental set-up is particularly efficient for Cerium transfer (limited by the interface) but does not present any action for Zirconium transfer., Dans divers procédés, comme lors de l'affinage de l'acier, ou bien, dans le retraitement des déchets nucléaires, les interfaces entre deux phases liquides sont le siège de transferts de masse. Ces derniers nécessitent la mise en oeuvre de moyen de brassage pour accélérer la cinétique du transfert des polluants d'une phase vers l'autre. Cette thèse s'intéresse à l'utilisation des forces électromagnétiques pour agiter, sans contact matériel, le cœur du bain et l'interface afin de contrôler voire d'augmenter la cinétique de ces transferts. Pour cela, deux installations expérimentales complémentaires ont été utilisées :La première a permis de mesurer le transfert d'Indium initialement dissous dans du mercure vers un électrolyte de couverture et le champ des vitesses dans le mercure. Les expériences réalisées ont permis, d'une part de déterminer la topologie des champs de vitesses des écoulements dans le bain de mercure, et d'autre part de compléter les lois d'évolution de la cinétique de transfert en fonction de l'intensité du champ magnétique. Cette évolution est corrélée aux comportements dynamiques de la surface du mercure.La seconde installation a permis de caractériser le transfert d'un élément (Pb, Zr ou Ce) initialement contenu dans un sel fluoré vers une matrice d'antimoine contenant du lithium. Il apparaît que les cinétiques des transferts sont toutes très rapides. Le dispositif proposé est particulièrement efficace lors de transfert du Cérium (limité par l'interface) mais sans action lors de transfert de Zirconium.

The subject of this thesis aims at looking further into current knowledge on the interactions solid metal/molten metal and more particularly to study the fatigue behaviour of martensitic steel T91 in a liquid lead-bismuth environment. This study lies with the European project MEGAPIE-TEST (MEGAwatt PIlot Experiment) which aims to prove the feasibility of a lead-bismuth spallation target.We developed an experimental set-up which allowed fatigue tests experiments at 300°C in the lead-bismuth eutectic (Pb 45%w, Bi 55%w). This eutectic contributes to decrease the fatigue life of the T91 steel and to increase the speed of cracking. The lead-bismuth eutectic changes the mechanisms of nucleation-growth of the short cracks through a suppression of effectiveness of the microstructural barriers. A change in the mode of cracking was also observed in the fatigue tests propagation when the crack tip is wet by the molten metal. We think that the molten metal modifies the crack tip by locating the plastic deformation.However, the harmful effect of the molten metal on the fatigue behaviour of material attenuates for low levels of stress and a pre-oxidation of the surface of material seems a promising way to explore to improve the fatigue resistance in the molten metal.; Le sujet de thèse vise à approfondir les connaissances actuelles sur les interactions métal solide / métal liquide et plus particulièrement à étudier le comportement en fatigue de l'acier martensitique T91 dans un environnement de plomb-bismuth liquide. Ce sujet s'inscrit dans le cadre du projet MEGAPIE (MEGAwatt PIlot Experiment) qui veut démontrer la faisabilité d'une cible de spallation en plomb-bismuth liquide.Nous avons développé un dispositif expérimental qui a permis la réalisation d'essais de fatigue oligocyclique et de fatigue propagation à 300°C dans l'eutectique plomb-bismuth (Pb 45%masse, Bi 55%masse). Ce milieu contribue à diminuer la durée de vie en fatigue oligocyclique de l'acier T91 et augmenter la vitesse de fissuration. La présence de l'eutectique Pb-Bi modifie les mécanismes de germination-croissance des fissures courtes , notamment en supprimant l'efficacité des barrières microstructurales. Un changement du mode de fissuration a également été observé lors des essais de fatigue propagation lorsqu'il y a mouillage du front de fissure par le métal liquide. Nous pensons que le métal liquide modifie l'activité du fond de fissure en localisant la déformation plastique.Toutefois, l'effet néfaste du métal liquide sur le comportement en fatigue du matériau s'atténue pour des niveaux de déformations faible et nous montrons également qu'une pré-oxydation de la surface du matériau semble une voie à explorer pour l'amélioration de la tenue en fatigue dans un métal liquide.

The action of an AC magnetic field on a thin liquid metal layer is studied in an experimental and theoretical way. In the first chapter, the experimental bench is described. An experimental study is then undertaken where the difference in behavior between a thick and a thin liquid metal layer is underlined. Indeed, if the inductor and the liquid metal layer unit is axisymetric in absence of a magnetic field, this axisymetric remains when an AC magnetic field is applied. On the other hand, the axisymmetry is broken (aperture of the circular liquid metal) when the liquid metal is thin. At a given magnetic field, the shapes of the liquid metal layer are frozen states for the both thickness of layers. The main aim of this work is to explain those frozen states of the liquid metal layer by relying on a minimum energy method. The first approach of the phenomenon consists in establishing an equivalent electric model which is simple to study. The obtained results allow us to streamline the problem and thus that way to begin to think over an electromagnetic model. The second chapter deals with the electromagnetic model and with the computation of the magnetic energy. The third chapter of this thesis describes the used calculus method for the resolution of our electromagnetic model. Two numerical methods are presented, one is the finite elements method and the other one is the boundary elements method. The last chapter presents the obtained numerical results which are compared to the experimental results, L'action d'un champ magnétique variable sur une couche mince de métal liquide est étudiée d'un point de vue expérimental et théorique. Dans le chapitre I, le dispositif expérimental est décrit. Une étude expérimentale est ensuite menée où l'on souligne la différence de comportement entre une nappe épaisse de métal liquide et une nappe mince. En effet, si le dispositif est axisymétrique en l'absence de champ magnétique, cette symétrie est conservée dans le cas d'une nappe épaisse, lorsque l'on applique un champ magnétique. En revanche, la symétrie est rompue dans le cas d'une nappe mince de métal liquide. A champ inducteur donné, les formes que prend la nappe aussi bien dans le cas d'une nappe mince que d'une nappe épaisse sont des états d'équilibres stables. L'objectif principal de cette thèse est d'expliquer les équilibres stables de la nappe mince en se basant sur une méthode de minimum d'énergie. Une première approche de ce phénomène consiste à établir un modèle électrique équivalent simple à étudier. Les résultats obtenus par ce modèle ont permis de dégrossir le problème, et ainsi, entamer l'élaboration d'un modèle magnétique plus approfondi. Le chapitre II présente la formulation magnétique du problème ainsi que le bilan énergétique qui en découle. Le chapitre III traite des méthodes de calcul choisies pour la résolution de notre modèle et pour la validation d'hypothèse. Deux méthodes de résolution numérique y sont écrites, l'une est la méthode des éléments finis et l'autre la méthode des intégrales de frontières. Le dernier chapitre présente les résultats obtenus par la résolution du modèle magnétique, ces résultats de simulation sont ensuite comparés aux résultats expérimentaux

The subject of this thesis aims at looking further into current knowledge on the interactions solid metal/molten metal and more particularly to study the fatigue behaviour of martensitic steel T91 in a liquid lead-bismuth environment. This study lies with the European project MEGAPIE-TEST (MEGAwatt PIlot Experiment) which aims to prove the feasibility of a lead-bismuth spallation target.We developed an experimental set-up which allowed fatigue tests experiments at 300°C in the lead-bismuth eutectic (Pb 45%w, Bi 55%w). This eutectic contributes to decrease the fatigue life of the T91 steel and to increase the speed of cracking. The lead-bismuth eutectic changes the mechanisms of nucleation-growth of the short cracks through a suppression of effectiveness of the microstructural barriers. A change in the mode of cracking was also observed in the fatigue tests propagation when the crack tip is wet by the molten metal. We think that the molten metal modifies the crack tip by locating the plastic deformation.However, the harmful effect of the molten metal on the fatigue behaviour of material attenuates for low levels of stress and a pre-oxidation of the surface of material seems a promising way to explore to improve the fatigue resistance in the molten metal., Le sujet de thèse vise à approfondir les connaissances actuelles sur les interactions métal solide / métal liquide et plus particulièrement à étudier le comportement en fatigue de l'acier martensitique T91 dans un environnement de plomb-bismuth liquide. Ce sujet s'inscrit dans le cadre du projet MEGAPIE (MEGAwatt PIlot Experiment) qui veut démontrer la faisabilité d'une cible de spallation en plomb-bismuth liquide.Nous avons développé un dispositif expérimental qui a permis la réalisation d'essais de fatigue oligocyclique et de fatigue propagation à 300°C dans l'eutectique plomb-bismuth (Pb 45%masse, Bi 55%masse). Ce milieu contribue à diminuer la durée de vie en fatigue oligocyclique de l'acier T91 et augmenter la vitesse de fissuration. La présence de l'eutectique Pb-Bi modifie les mécanismes de germination-croissance des fissures courtes , notamment en supprimant l'efficacité des barrières microstructurales. Un changement du mode de fissuration a également été observé lors des essais de fatigue propagation lorsqu'il y a mouillage du front de fissure par le métal liquide. Nous pensons que le métal liquide modifie l'activité du fond de fissure en localisant la déformation plastique.Toutefois, l'effet néfaste du métal liquide sur le comportement en fatigue du matériau s'atténue pour des niveaux de déformations faible et nous montrons également qu'une pré-oxydation de la surface du matériau semble une voie à explorer pour l'amélioration de la tenue en fatigue dans un métal liquide.

A new electromagnetic process is set up in order to improve the mass transfers between a molten metal and a slag. The principle of the process consists to melt and stir the metal in an cold-crucible induction furnace supplied with a two-frequency alternating current. This inductive current contains a basic frequency to heat and ensure an electromagnetic stirring of the bulk metal as well as a low modulation frequency in order to destabilize the interface metal - slag. Such an inductive current is obtained by modulating the input instruction of a standard induction generator using a sinusoidal signal delivered by a function generator. A study of the hydrodynamic behaviour of the free surface of gallium in such a two-frequency induction system showed that it is possible to excite axisymetric oscillation modes when the modulation frequency of the inductive current corresponds to the deformations of the free surface were measured according to the modulation parameters imposed on the induction generator. The experimental features of the free surface oscillations agree qualitatively with those predicted by the analytical model. A system of detection of resonance, without contact with the free surface, was set up in order to detect the deformations of the free surface generated by the excitation of the oscillation modes. The aptitude of the process to improve the kinetics of transfer of zirconium from a fluorinated salt to a molten metal containing aluminium as reducing agent was studied. Experiments of transfer were carried out without and with modulation of the inductive current. They showed that, for a fixed value of the current, the transfer can be accelerated thanks to the interfacial agitation generated by the modulation of the inductive current., Un nouveau procédé électromagnétique est mis en oeuvre afin d'améliorer les transferts de masse entre un métal liquide et un laitier placé en couverture. Le principe du procédé consiste à fondre et brasser le métal dans un four à induction à creuset froid alimenté par un courant alternatif bifréquence. Ce courant inducteur est constitué d'une moyenne fréquence pour chauffer et assurer un brassage électromagnétique au sein du métal ainsi que d'une basse fréquence de modulation destinée à agiter l'interface métal - laitier. Un tel courant inducteur est obtenu en modulant la consigne d'entrée d'un générateur à induction standard à l'aide d'un signal sinusoïdal délivré par un générateur de fonctions. Une étude du comportement hydrodynamique de la surface libre de gallium dans un tel système d'induction bifréquence a montré qu'il est possible d'exciter des modes de surface axisymétriques (0,n) lorsque la fréquence de modulation du courant inducteur correspond à la fréquence propre d'un des modes de surface. Les amplitudes maximales et la fréquence des déformations de la surface libre ont été mesurées en fonction des paramètres de consigne d'entrée imposés au générateur. Il ressort une assez bonne corrélation entre les caractéristiques expérimentales des déformations et les valeurs issues d'un modèle analytique. Un système de détection de résonance, sans contact avec la surface libre, a été mise en place afin de détecter les déformations de la surface libre engendrée par l'excitation des modes de surface. L'aptitude du procédé à améliorer la cinétique du transfert de zirconium d'un sel fluoré vers un métal liquide contenant l'aluminium comme métal réducteur a été étudiée. Des expériences de transferts ont été réalisées sans et avec modulation du courant inducteur. Elles montrent que pour une valeur d'intensité du courant donnée, le transfert peut être accéléré sous l'effet de l'agitation interfaciale engendrée par la modulation du courant inducteur.

The mechanical action on an inductor device on a liquid load is studied from an expenmental and theoretIcal point of view. The introducing chapter displays. the mechanical and electromagnet.ical equatlons m a descriptive logic of the studed interaction. This presentatlon is illustrated by an experiment, which allows to verify, from a qualitative analysis, theoretical conclusIons.The second chapter displays the who le experimental devices which are used. The interactions between an inductor and a liquid tin load are studied with the help of a quantitative analysis. The different measures and data treatment protocols, such as voltage; current, temperature are described and evaluated by the analysisof their efficiency and their adequation with the goals of predicting the phenomena of the whole study. The next chapter displays the modeling, the finite-element simulations and the experiments carried out on a massive liquid domain of tin. The calculus are validated by experimental results. Finally, the conclusion of the study is about further work dealing with thin liquid domains. Observations of deformation of these thin domains are showed and briefly explained by a qualitative analysis. This PhD thesis is based upon a strategy of conception which can be transferred to small firms: the building of miniature works. It was done within the framework of a CIFRE contract with the PHiLEC SA firm., L'action mécanique d'un dispositif inducteur sur une charge liquide est étudiée d'un point de vue expérimental et théorique. Le chapitre introductif expose les équations de la Mécanique et de l'Electromagnétisme dans une logique descriptive de l'interaction étudiée. Cet exposé est illustré par une expérimentation permettant de vérifier qualitativement les conclusions théoriques. Le second chapitre expose l'ensemble des dispositifs expérimentaux mis en oeuvre. Les interactions entre un inducteur et une charge liquide d'étain sont appréciées de manière quantitative. Les différentes mesures et protocoles de traitement de données, telles que les tension, courant, température, sont décrits et évalués par l'analyse de leur efficacité et de leur adéquation aux objectifs de prévisions des phénomènes de l'ensemble de l'étude. Le chapitre suivant expose les modélisations, les simulations par éléments finis et les expérimentations réalisées sur un domaine liquide massif constitué d'étain. Les calculs effectués sont validés par les résultats expérimentaux. Enfin l'étude conclue sur les perspectives de travail concernant des domaines liquides minces. Des observations de déformation de ces domaines minces sont ex- posées et brièvement expliquées de manière qualitative. Ce travail de thèse s'appuie sur une stratégie de conception exportable dans les petites industries: le maquettage. Il est réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE dont l'entreprise d'accueil est la société PHILEC S.A..

Pseudopotentials were originally introduced to simplify electronic structure calculations by eliminating the need to include the atomic core states and the strong potentials responsible for binding them. These potentials were then screened using a linear dielectric function method via local-field correction, G(q). In this work, we study the structure and thermodynamical properties of liquid metals by means of integral equation theory as well as molecular dynamics. It is developed around two main ideas. In the first part, we examine the extend to which the first principles pseudopotenitals can be transferred successfully from the solid state to other environments. We used both Bachelet et al. (BHS) and Fiolhais' model potentials. The latter appears to describe correctly the structure as well as the thermodynamical properties of each alkali metal. We clearly point out that the BHS's pseudopotential is not transferable except for Na. The second idea is a study of the effet of exchange and correlation in the theory of simple metals. It appears that the alkali, with one valence electron per atom, have relatively high rs valus. For this reason, the structure is quite insensitive to the form of G (q) while the thermodynamic quantities depend on it. On the contrary, for polyvalent metals, with small rs values, G (q) has a great influence already on the structure factor, Les pseudopotentiels ont été introduits pour simplifier les calculs de structure électronique en éliminant la nécessite d'inclure les états du coeur et le potentiel très fort responsable de leurs liaisons. Ces potentiels sont donc écrantés en utilisant la méthode de la fonction diélectrique linéaire via la correction du champ local, G(q). On étudie la structure et la thermodynamique des métaux liquides à l'aide des équations intégrales et de la dynamique moléculaire. Cette étude s'articule autour de deux axes principaux. Le premier est l'étude de la transférabilité de l'état solide à l'état liquide des pseudopotentiels qui sont souvent de type premier principe. Nous utilisons les pseudopotentiels de Bachelet et al. (BHS) et celui de Fiolhais. L'étude révèle que ce dernier décrit correctement la structure et la thermodynamique de tous les alcalins, alors que dans le cas de BHS, la transférabilité n'est bonne que pour Na. Le second axe de l'étude est le calcul auto-cohérent des interactions d'échange et de corrélation entre les électrons de conduction. Il apparait que, pour les métaux alcalins avec un électron de valence par atome et un rayon électronique relativement grand, l'influence de G(q) est importante sur les propriétés thermodynamiques et non sur la structure. Par contre pour les polyvalents, avec un rayon électronique faible, G(q) a déjà une grande influence sur la structure

The instrument used to determine the opticals constants of liquid metals was ellipsometer spectroscopic. The metals were melted in crucible enclosed in a cell filled with argon-hydrogen. The temperature was measured with a chromel-alumel thermocouple. The opticals properties of the liquid metals in the visible, it usually assumed obey mearly-free-electron-libre, and it has been conventional, in analysis of experimental data, to find values of the Drude parameters, the effective electron number par atom and the relaxation time, by fitting the Drude expressions for the optical constants to the experimental data. The results of tin andtin-lead binary alloy, to differ from the Drude theory, this departure is due to with the oxyde film formed on the surface, Ce travail a pour objet l'étude des propriétés optiques de l'étain, du plomb et de leur alliage. Il se situe dans le cadre de recherches sur la structure électronique des métaux et alliages liquides. Nous avons choisi une méthode optique, l'ellipsométrie, qui permet a partir de mesures des paramètres ellipsométriques, d'accéder aux constantes optiques, à la constante diélectrique et donc à la conductivité optique. Dans une première étape nous avons mis au point un ellipsomètre spectroscopique à polariseur tournant. Nous avons conçu et réalisé une cellule de mesure adaptée aux mesures des propriétés optiques des métaux liquides. L'interprétation théorique des résultats expérimentaux a été faite en employant la théorie de l'électron libre de Drude. Nos résultats sur le plomb sont en bon accord avec le modèle de Drude, par contre ceux sur l'étain s'écartent du modèle théorique, cet écart s'explique par l'existence probable d'une couche d'oxyde. Les résultats obtenus sur les alliages étain-plomb, présentent le même phénomène que l'étain pur, ce qui est en faveur de la formation d'une couche d'oxyde au bout de quelques secondes

Not available, Le brassage électromagnétique traite de l'écoulement d'un fluide conducteur engendré par une densité volumique d'efforts électromagnétiques (forces de Lorentz). L'interaction d'un champ magnétique et d'un courant électrique sera moteur d'un écoulement si le rotationnel des forces de volume est non nul. En général, l'étude de ces phénomènes se fait en dissociant les cas d'excitations alternatives et continues. Un champ magnétique alternatif pénétrera d'autant moins dans un domaine conducteur, que sa fréquence est grande. Les courants induits, ainsi que les forces de Lorentz, restent confinés dans une couche limite magnétique. On pourra calculer l'écoulement à l'intérieur du domaine en tenant compte de son moteur dans la peau magnétique, par le biais d'une condition aux frontières fictive (en vitesse ou en cisaillement). Une densité de courant électrique continue peut aussi bien interagir avec son champ propre pour mettre le fluide en mouvement. Ce phénomène est essentiellement tridimensionnel. Nous développons l'étude de l'écoulement d'un métal liquide, dans ces conditions, dans un dièdre d'angle variable, pour les faibles nombres de Reynolds, en stationnaire. Nous proposons une étude locale, en recherchant les solutions auto similaires, ainsi qu'une solution analytique exacte, en faisant une hypothèse supplémentaire sur la distribution des forces de Lorentz. On montre notamment, que proche de l'arête du dièdre, les forces de volume ont pour effet de réduire considérablement les plages d'angles pour lesquelles on a une séquence interne de tourbillons. Dans le calcul des solutions autosimilaires nous sommes confrontés a des problèmes d'éclatement des solutions pour trois valeurs d'ouverture du dièdre. Ces difficultés sont contournées en adaptant certaines constantes indéterminées, de manière a créer une singularité égale et opposée à celle qui est a l'origine de l'explosion des solutions. Le cas des grands nombres de Reynolds est aborde, mais non résolu. Nous avons notamment des problèmes de conditions aux limites

The aim of this thesis is to study the transport properties of liquid noble métal-polyvalent alloys inwich the magnetic susceptibility shows a minimum in the gold rich side virsus the concentration. We have measured the electrical resistivity evolution as a function of the position of the polyvalent metal in the periodic table. The resistivity has been calculated using the phases shifts n (EF). Our calculation is based on two possible exchange tratement (Slater and Kohn-sham). We improved our results in taking into acount the energy dependence of phase shifts and using the Fermi energy obtained by a fit on the experimentals resisitivities of pure metals. A progress in theorical results are possible with some investigations in the phase shifts calculations and the Fermi energy determination, L'objectif de ce travail porte sur l'étude des propriétés de transport électronique d'alliages métalliques or-polyvalents dont la susceptibilité magnétique montre un minimum dans la zone de concentration riche en or. Ainsi nous avons mesuré, pour le première fois dans la plupart des cas, la résistivité électrique des alliages suivants : Au-Ga, Au-Ge, Au-In, Au-Sb. La précision des mesures a été améliorée sur un large domaine de température grâce à une gestion automatique du dispositif par un logiciel d'acquisition et de traitement de données mis au point à cet effet. La théorie des pseudopotentiel reste incapable d'expliquer nos mesures. Nous interprétons nos résultats à l'aide de la matrice t obtenue dans le cadre de la théorie de diffusion et exprimée en terme de déphasages dans le cadre de la théorie de Faber-Ziman. Nous avons discuté le choix de l'énergie de Fermi pour les deux types d'échange (Slater et Kohn-Sham) et nous avons procédé à une correction de celle-ci par ajustement sur la résistivité des corps purs. Une amélioration des résultats théoriques est envisageables par de nouvelles investigations au niveau du calcul des déphasages et de la détermination de l'énergie de Fermi

Nowadays, the integral equation theory is one of the most powerful semi-analytic methods to obtain the pair correlation function of a liquid. A detailed study of self-consistent integral equations gives rise to a numerical procedure suitable for liquid metals. Once the effective pair potentiel is derived on the basis of the pseudopotential theory, the structure and thermodynamical properties of alkali metals as well as of the 3D transition metal series are obtained. The use of some recent electron-ion interaction models leads to results in good agreement with experimental data. When performing the isothermal compressibility calculations of the metals under study, it appears that the pair potential deerivatives with respect to density can be neglected. Therefore, the scheme employed here successfully might be extented to alloys as well as be applied to the inverse problem. It is also shown that the nature of the pair potential changes gradually from metallic to non-metallic state when the critical point is approached along the liquid-vapour coexistence curve, La théorie des équations intégrales est l'une des méthodes semi-analytiques les plus puissantes à l'heure actuelle pour calculer la fonction de distribution radiale d'un liquide. L'étude détaillée des équations intégrales auto-cohérentes permet de construire une procédure de calcul applicable aux liquides métalliques. Après avoir calculé le potentiel effectif interionique à l'aide de la théorie des pseudopotentiels, la structure et les propriétés thermodynamiques en sont déduites pour les métaux alcalins et les métaux de transition de la série 3D. Les résultats, qui sont obtenus en utilisant des modèles récents d'interaction électron-ion, peuvent être avantageusement comparés à l'expérience. Il apparait que, dans le calcul de la compressibilité isotherme des métaux sur lesquels porte notre travail, les dérivées du potentiel effectif par rapport à la densité peuvent être négligées. Ainsi, on peut envisager une extension de la technique de calcul, employée ici avec succès, au cas des alliages et au traitement du problème inverse. Par ailleurs, le changement de la nature du potentiel de paire du rubidium et du cesium a été mis en évidence ; leur potentiel passe progressivement du type métallique à celui d'un isolant à l'approche du point critique, le long de la courbe de coexistence liquide-gaz

This work presents a contribution to the study of the electronic transport properties of metals and metallic alloys in the liquid state. We have measured the electrical resistivities of the systems nickel-antimony and nickel-germanium as a function of temperature and concentration. The interpretation of the experimental results was performed within the framework of the t-matrix formalism and by using the partial hard sphere structure factors. We have determined the absolute thermoelectric power (A.T. P.) of liquid germanium by applying four different kinds of cells, three of them having been deviced in the course of the this work. Furthermore, we have measured the A.T. P. of liquid germanium based alloys diluted by gallium. The esperimental results are confirmed by the calculations based on the Ashcroft E. C. P. potential combined with suitably adjusted parameters. The values deduced from the "first principale" potential of Animalu (S. M. P.) are systematically smaller in magnitude. The A.T. P. of solid germanium in the range of the melting point could be determined with an accuracy of 5-10 times better than that quoted in the literature, owing to a special experimental set-up and a technique which permitted to control the progression of the solidification. We have discussed the validity of the Wiedemann-Franz law (W-F) linking the electrical and the thermal conductivities. We have derived the thermal conductivity of several liquid metals and mettalic alloys from both the experimental and the calculated electrical resistivities. We have shown that, excepting may be the noble metals, the corrections of the W-F law give a negligible contribution. We have noted that the concentration dependance as well as the temperature coefficient of the thermal conductivity of aluminium-copper alloys show an anormalous behaviour. This phenomena must be confirmed by measuring the thermal conductivity; Ce travail présente une contribution à l'étude des propriétés de transport électronique des métaux et alliages métalliques à l'état liquide. Nous avons mesuré les résistivités électriques des systèmes nickel-antimoine et nickel-germanium en fonction de la température et de la concentration. L'interprétation des résultats expérimentaux est effectuée dans le cadre du formalisme de la matrice T et en utilisant des facteurs de structure partiels des sphères dures. Nous avons déterminé le pouvoir thermoélectrique absolu (P.T.A.) du germanium liquide en utilisant quatre types de cellules dont trois ont été mises au point dans le cadre de ce travail. Nous avons aussi mesuré le P.T.A. des alliages liquides à base de germanium, dilués en gallium. Les résultats expérimentaux sont confirmés par les calculs lorsqu'on utilise le potentiel E.C.P. d'Ashcroft avec des paramètres convenablement ajustés. Les valeurs déterminées à partir du potentiel premiers principes s.m.p. d'Animalu sont systématiquement plus petites en valeur algébrique. Le P.T.A. du germanium solide au voisinage du point de fusion a pu être déterminé avec une précision entre 5 et 10 fois meilleure que celle de la littérature grâce à un dispositif et une technique permettant de contrôler le sens de la solidification. Nous avons discuté la validité de la loi de Wiedemann-Franz (W-F) reliant la conductivité électrique et la conductivité thermique. Nous avons calculé la conductivité thermique de quelques métaux et alliages métalliques liquides, à partir des résistivités électriques expérimentales et calculées. Nous avons montré que les corrections à la loi de W-F apporte une contribution négligeable à l'exception peut-être des métaux nobles. Nous avons constaté que la dépendance en concentration ainsi que le coefficient de température de la conductivité thermique du système aluminium-cuivre devaient présenter un comportement anormal. Ce phénomène doit être confirmé par des mesures de la conductivité thermique