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[H/F] Localisation de la déformation assistée par l'oxydation dans les matériaux à base de Ni et de Ti : dialogue numérique-expérimental

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

Date Limite Candidature : mercredi 13 juillet 2022

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Informations générales

Référence : UMR5312-DAMTEX-009
Lieu de travail : ALBI
Date de publication : mercredi 1 juin 2022
Nom du responsable scientifique : Damien TEXIER
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 3 octobre 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut par mois

Description du sujet de thèse

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 la 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" adapté de la référence [8].

References :
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
8. De Rancourt V, Ammar K, Appolaire B, Forest S (2016) Homogenization of viscoplastic constitutive laws within a phase field approach. J Mech Phys Solids 88:291–319. doi:10.1016/j.jmps.2015.12.026


Description du projet de thèse :

Ce projet de thèse se concentrera sur la mise en œuvre d'un modèle thermo-mécano-chimique et de simulations d'agrégats polycristallins 2D puis 3D. Le matériau modélisé présentera un gradient évolutif dans le temps de composition chimique, de microstructure, et - par conséquence - de propriétés mécaniques du à l'effet concomitant de la déformation localisée et de la réactivité de surface. Une description fiable et des simulations prédictives du gradient de microstructure sont nécessaires pour une bonne prédiction des propriétés mécaniques locales. Pour le cadre des éléments finis, la plasticité cristalline à gradient de déformation basée sur les densités de dislocation sera utilisée, y compris la plasticité anisotrope et la dépendance de la taille de l'activité plastique des matériaux à base de Ni et de Ti soumis à l'oxydation.

Les propriétés mécaniques locales seront évaluées à l'aide de techniques avancées telles que la nanoindentation, la microtraction et la microcompression. Ces travaux seront réalisés en collaboration avec un autre étudiant en doctorat et des chercheurs postdoctoraux. La simulation numérique de l'essai d'indentation visera à corréler les propriétés de dureté et de module réduit à l'intérieur des grains avec la contribution de l'orientation des grains et de la chimie locale. Les simulations sur les agrégats seront confrontées à des essais mécaniques avec mesure de champ cinématique en utilisant des techniques de corrélation d'images numériques à haute résolution (CIN-HR) à partir d'analyses de surface.

Dans le cadre de ce projet de thèse, le doctorant devra :
• Simuler des essais de nanoindentation sur des matériaux anisotropes afin d'identifier les propriétés élasto-plastiques ;
• Comparer ces simulations avec des données expérimentales obtenues sur des matériaux polycristallins à base de Ni et de Ti, soumis ou non à l'oxydation ;
• Développer une analyse par éléments finis couplée à un champ de phase sur des agrégats 2D ;
• Développer une analyse par éléments finis couplée à un champ de phase sur des agrégats 3D ;
• Simuler des essais de traction sur des agrégats polycristallins 3D non oxydés et comparer les résultats avec les champs cinématiques obtenus par CIN-HR ;
• Simuler des essais de traction sur des agrégats polycristallins 3D oxydés et comparer les résultats avec les champs cinématiques obtenus à l'aide de CIN-HR ;
• Discriminer l'effet de la localisation des déformations sur la microstructure "sub-surfacique" affectée par les contraintes ET la réactivité de surface.

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
Centre des matériaux de MINES ParisTech
CNRS UMR 7633
63 - 65 rue Henri-Auguste DESBRUERES
BP 87
F-91003 Évry cedex, FRANCE
(Un bus permet de faire la navette entre Paris Sud et le laboratoire)

ET
Institut Jean Lamour
CNRS UMR 7198
Campus Artem
2 allée André Guinier, BP 50840
54011 Nancy Cedex, 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 ;
• Analyses d'images ;
• Informatique scientifique (langage Matlab et/ou Python et/ou c++, etc.).

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