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[H/F] Thèse Caractérisation micromécanique à haute température de matériaux modèles à base de Ti et de Ni après oxydation à haute température

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-005
Lieu de travail : ALBI
Date de publication : mardi 6 avril 2021
Nom du responsable scientifique : Damien TEXIER et Marc LEGROS
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2021
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

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.

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

Le présent projet de thèse se concentrera sur la caractérisation mécanique multi-échelle des matériaux modèles TixAlyCr(1-x-y) et NixAlyCr(1-x-y), en utilisant des tests de nanoindentation HT, des tests de compression sur micropiliers, des tests de traction in-situ associés à des techniques de corrélation d'images numériques. L'objectif de la thèse est de fournir une évaluation quantitative des mécanismes de déformation élémentaires et de l'évolution chimique des grains de surface. Les propriétés identifiées serviront à alimenter d'autres modèles d'éléments finis couplés à des modèles de champ de phase afin d'aborder le couplage mécano-chimique opérant au niveau des sous-grains. Le doctorant étudiera les mécanismes élémentaires de déformation dans la couche affectée par l'oxydation et l'interaction avec les produits d'oxydation.
Dans le cadre du présent projet, le doctorant devra :
• Caractériser l'évolution de la région affectée par l'oxydation dans les matériaux modèles TixAlyCr(1-x-y) et NixAlyCr(1-x-y) ;
• Caractériser les propriétés micromécaniques dans la région affectée par l'oxydation à différentes températures en utilisant des tests de nanoindentation HT et des tests de compression de micropiliers ;
• Développer des mouchetis pour les techniques de corrélation d'images numériques à haute température à l'échelle microscopique ;
• Caractériser les événements de glissement intragranulaire en utilisant des techniques de corrélation d'images numériques à haute résolution ;
• Caractériser les structures de dislocation dans la région affectée par l'oxydation et la région non affectée en utilisant des analyses TEM post-mortem et/ou des tests TEM in-situ ;
• Analyser les images topographiques des essais mécaniques expérimentaux à haute température (microscopie holographique, microscopie confocale, microscopie électronique à balayage + essais de traction et essais de bombement à méso-échelle) ;
• Analyser les produits d'oxydation liés à la localisation des contraintes inhérentes à diverses conditions de chargement (essais de traction incrémentale, essais de fatigue, etc ;
• Développer et identifier un modèle décrivant la formation et la croissance des oxydes assistés par la localisation des contraintes.

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 thèse s'inscrivent dans les thématiques de recherche du groupe SUMO et plus particulièrement l'axe: Propriétés d'usage et microstructures des matériaux avancés

La localisation de la thèse sera sur :
INSTITUT CLEMENT ADER
IMT-Mines Albi-Carmaux
Campus Jarlard
81013 Albi CEDEX 09, France

ET

CEMES
29 Rue Jeanne Marvig
31055 Toulouse, France

Contraintes et risques

Essais mécaniques à haute température

Informations complémentaires

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le projet ERC Starting Grant - HT-S4DefOx: High temperature - small scale sub-surface deformation assisted by oxidation.

Le candidat recherché doit être détenteur d'un Master de recherche et avoir des connaissances solides en :
• Ingénierie mécanique (et plus particulièrement à l'échelle microscopique) ;
• Sciences des matériaux et/ou mécanique des solides computationnelle ;
• Réactivité de surface ;
• Compétences en caractérisation métallographique ;
• Analyses d'images ;
• Informatique scientifique (langage Matlab et/ou Python, etc.).

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