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[H/F] Postdoc en Évaluation expérimentale et numérique de la localisation des déformations dans les alliages à base de Ti et de Ni affectés par l'oxydation

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : mardi 27 avril 2021

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Informations générales

Référence : UMR5312-DAMTEX-006
Lieu de travail : TOULOUSE
Date de publication : mardi 6 avril 2021
Type de contrat : CDD Scientifique
Durée du contrat : 12 mois
Date d'embauche prévue : 1 décembre 2021
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : Entre 2648 et 3768€ bruts mensuel selon expérience
Niveau d'études souhaité : Doctorat
Expérience souhaitée : 1 à 4 années

Missions

Contexte :

Les matériaux structurels métalliques/intermétalliques fonctionnant à haute température (650°C-1200°C) dans des environnements sévères sont couramment soumis à une réactivité de surface en service, c'est-à-dire à l'oxydation et à la corrosion. Ce problème est rencontré dans plusieurs applications industrielles, notamment lorsque des températures élevées, des contraintes mécaniques et des atmosphères hautement corrosives sont réunies (centrales électriques, turbines aéronautiques, etc.) [1]. La dégradation assistée par l'environnement modifie à la fois la surface des matériaux et leurs propriétés dans le volume en raison d'une consommation sélective des éléments impliqués dans le processus de dégradation de la surface et/ou de la diffusion d'éléments oxydants (par exemple, couche sub-surfacique appauvrie en précipités durcissants pour les superalliages à base de nickel en raison de la consommation d'aluminium pour former de l'Al2O3, etc. [2, 3], couche fragile enrichie en oxygène/azote dans les alliages de Ti et TiAl en raison de la solubilité de O et N [4, 5], etc.). Le matériau affecté par l'oxydation présente ainsi un gradient de composition chimique, de microstructure et de propriétés physiques. Ce gradient de microstructure et de propriétés évolue avec le temps en raison des processus de croissance et de diffusion des oxydes.

Chaque famille de matériaux métalliques/intermétalliques réagit différemment à la corrosion dite "sous contrainte", mais aussi à la déformation corrosive/oxydative. Cependant, tous les matériaux sont potentiellement affectés par ces mécanismes en raison des effets concomitants de la réactivité de surface, de l'évolution de la microstructure et de la déformation. Malgré l'échelle négligeable des gradients physiques, chimiques et métallurgiques (de 0,1 à 100 micromètres sous la surface) par rapport aux dimensions des composants structurels, la variabilité du comportement mécanique au sein du gradient entraîne souvent des dommages prématurés et la rupture progressive du composant [6]. Cette évolution et cette dégradation des matériaux pourraient être incluses dans ce qu'on appelle la "fissuration assistée par corrosion sous contrainte", étudiée depuis des décennies pour tous les matériaux structurels utilisés à haute température. Cependant, les motivations industrielles et écologiques pour utiliser les matériaux structurels dans des conditions de plus en plus extrêmes et sévères les poussent à leurs limites de performance. La synergie opérant entre la localisation des déformations inter- et intragranulaires et les processus de réactivité/diffusion de surface favorise les dommages inattendus et la grande variabilité de la durée de vie des composants structurels exposés à des "températures trop élevées - contraintes trop fortes (cycliques et/ou constantes)" [7]. Une meilleure compréhension des mécanismes élémentaires thermo-mécano-chimiques responsables des dommages précoces à l'échelle microscopique est nécessaire.

Motivations du projet :

Pour aborder ce point, HT-S4DefOx, un projet financé par le Conseil européen de la recherche (ERC - Starting Grant), vise à :
• Evaluer le comportement mécanique au sein du gradient évolutif dans le temps de la microstructure et des propriétés, c'est-à-dire au sein du matériau "sub-surfacique" (approche micro- et méso-échelle) ;
• Evaluer la variabilité du comportement mécanique du matériau métallique au voisinage de l'interface métal/oxyde (approche à micro-échelle). Cette interface, considérée comme la "surface extrême", est en première ligne pour le couplage thermo-mécano-chimique ;
• Modéliser et simuler le couplage thermo-mécano-chimique sur des microstructures et des propriétés évoluant dans le temps du matériau "sub-surface" avec des conditions aux limites sur la "surface extrême".

Références :
1. Young DJ (2016) High temperature oxidation and corrosion of metals, 2nd Ed. Elsevier Science
2. Bensch M, Preußner J, Hüttner R, et al (2010) Modelling and analysis of the oxidation influence on creep behaviour of thin-walled structures of the single-crystal nickel-base superalloy René N5 at 980 °C. Acta Mater 58:1607–1617. doi:10.1016/j.actamat.2009.11.004
3. Cassenti B, Staroselsky A (2009) The effect of thickness on the creep response of thin-wall single crystal components. Mater Sci Eng A 508:183–189. doi:10.1016/j.msea.2008.12.051
4. Finlay WL, Snyder JA (1950) Effects of three interstitial solutes (nitrogen, oxygen, and carbon) on the mechanical properties of high-purity, alpha titanium. JOM 2:277–286. doi:10.1007/BF03399001
5. Barkia B, Doquet V, Couzinié JP, et al (2015) In situ monitoring of the deformation mechanisms in titanium with different oxygen contents. Mater Sci Eng A 636:91–102. doi:10.1016/j.msea.2015.03.044
6. Pineau A, Antolovich SD (2009) High temperature fatigue of nickel-base superalloys - A review with special emphasis on deformation modes and oxidation. Eng Fail Anal 16:2668–2697. doi:10.1016/j.engfailanal.2009.01.010
7. Stinville JC, Echlin MP, Callahan PG, et al (2017) Measurement of strain localization resulting from monotonic and cyclic loading at 650 ∘C in nickel base superalloys. Exp Mech 57:1289–1309. doi:10.1007/s11340-017-0286-y

Description du projet de recherche :
La présente bourse post-doctorale sera axée sur la caractérisation mécanique des matériaux modèles NixAlyCr(1-x-y) et TixAlyCr(1-x-y) en utilisant la nanoindentation HT, des tests de compression sur micropiliers et des techniques de modélisation et de corrélation basées sur l'image numérique (DIC) pour évaluer la localisation des déformations à l'échelle du grain.

Dans le cadre du présent projet, le boursier postdoctoral devra :
- Reconstruire des ensembles de données 3D de matériaux polycristallins à partir d'images (sinogrammes et/ou pile d'images de sections) Segmentation 3D à l'aide de voxels ;
- Réaliser le maillage de la microstructure segmentée en 3D ;
- Réaliser la modélisation et simulation de la plasticité cristalline sur la microstructure reconstruite ;
- Réaliser des tests mécaniques expérimentaux à l'échelle micro : Essais de nanoindentation HT, essais de mésobuldage HT et essais de traction HT contrôlés à l'aide de mesures plein champ ;
- Analyser les images topographiques des essais mécaniques expérimentaux à haute température (microscopie holographique, microscopie confocale, microscopie électronique à balayage) ;
- Développer des outils numériques pour évaluer les discontinuités dans les champs cinématiques ;
- Modéliser l'évolution du mouchetis en fonction des surfaces oxydées ;
- Développer des techniques d'assimilation basées sur des modèles 3D à partir de mesures de surface 3D ;
- Simuler et comparer les champs cinématiques dans le volume à partir de mesures aux limites de la surface.

Activités

- Reconstruire des ensembles de données 3D de matériaux polycristallins à partir d'images (sinogrammes et/ou pile d'images de sections) Segmentation 3D à l'aide de voxels ;
- Réaliser le maillage de la microstructure segmentée en 3D ;
- Réaliser la modélisation et simulation de la plasticité cristalline sur la microstructure reconstruite ;
- Réaliser des tests mécaniques expérimentaux à l'échelle micro : Essais de nanoindentation HT, essais de mésobuldage HT et essais de traction HT contrôlés à l'aide de mesures plein champ ;
- Analyser les images topographiques des essais mécaniques expérimentaux à haute température (microscopie holographique, microscopie confocale, microscopie électronique à balayage) ;
- Développer des outils numériques pour évaluer les discontinuités dans les champs cinématiques ;
- Modéliser l'évolution du mouchetis en fonction des surfaces oxydées ;
- Développer des techniques d'assimilation basées sur des modèles 3D à partir de mesures de surface 3D ;
- Simuler et comparer les champs cinématiques dans le volume à partir de mesures aux limites de la surface.

Compétences

Le postdoc doit avoir les compétences et/ou le savoir-faire suivants :
- Sciences des matériaux et mécanique numérique des solides ;
- Approche intégrée expérimentale-numérique ;
- Analyse d'image (segmentation d'images, modèles basés sur l'image, reconstruction 3D à partir de sinogrammes et/ou de piles d'images, 2D- et stéréo-DIC, etc ;
- Compétences en nanoindentation si possible (expérimentale ou numérique) ;
- Calcul scientifique (langage Python, HPC, etc.).

Contexte de travail

L'Institut Clément Ader (ICA, CNRS UMR 5312).
L'ICA est un laboratoire de recherche qui s'attache à l'étude des structures, des systèmes et des procédés mécaniques. Nos secteurs d'activités s'inscrivent dans ceux des industries mécaniques avec une attention particulière accordée aux projets des domaines de l'aéronautique, de l'espace, du transport et de l'énergie. Nos travaux portent généralement sur la modélisation du comportement, l'instrumentation et l'étude de la durabilité des structures ou produits considérés. Une part importante de nos recherches porte sur les matériaux composites, lesquels prennent aujourd'hui une place importante dans les structures.

L'ICA regroupe environ 80 enseignants chercheurs, 20 chercheurs temporaires, 20 BIATSS, 90 doctorants, ainsi que de nombreux stagiaires. Avec la particularité de compter :
- au niveau des tutelles, des personnels appartenant à quatre grands établissements : UPS et INSA du Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche, ISAE du Ministère de la Défense, Mines Albi du Ministère de l'Industrie,
- au niveau géographique, des personnels répartis dans quatre villes de la région Midi-Pyrénées : Albi, Figeac, Tarbes et Toulouse.
La direction est composée d'un directeur et de deux directeurs-adjoints, les trois ministères de tutelle étant représentés dans ce trio. L'équipe de soutien technique (personnels BIATSS) est organisée en trois composantes, une pour chaque ministère.

Le laboratoire est organisé en quatre groupes de recherche :
- Groupe MSC : Matériaux et Structures Composites
- Groupe SUMO : Surface, Usinage, Matériaux et Outillages
- Groupe MS2M : Modélisation des Systèmes et Microsystèmes Mécaniques
- Groupe MICS : Métrologie, Identification, Contrôle et Surveillance

Ces travaux de recherche s'inscrivent dans les thématiques de recherche du groupe SUMO, MICS et MS2M.

Les travaux de recherches seront effectués à:
INSTITUT CLEMENT ADER
IMT-Mines Albi-Carmaux
Campus Jarlard
81013 Albi CEDEX 09, France

et

INSTITUT CLEMENT ADER
3, rue Caroline Aigle
F-31400 Toulouse CEDEX 04, France

Contraintes et risques

Risque lié à l'utilisation d'ordinateur

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