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Doctorant en Mécanique des Matériaux (H/F)

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Informations générales

Référence : UMR7239-STEBER-001
Lieu de travail : METZ
Date de publication : mercredi 21 novembre 2018
Nom du responsable scientifique : Stéphane BERBENNI
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 7 janvier 2019
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 1 768,55 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Titre de la thèse:

Développement et implémentation numérique d'un modèle d'homogénéisation élasto-viscoplastique pour des aciers inoxydables austéno-ferritiques vieillis

Contexte et objectifs:

Les aciers duplex austéno-ferritiques sont largement utilisés dans le circuit primaire des centrales nucléaires de type réacteur à eau pressurisée. Il est bien établi qu'à la température de service (environ 320°C) et après de longues périodes d'exposition (plus de 10 000 heures), la phase ferritique de ces aciers duplex peut être fragilisée par un phénomène appelé ``fragilisation à 475°C'' (cf. Bugat et al. [1,2]). Ainsi, la ferrite subit un changement de mode de rupture d'une rupture ductile à un mode de fissuration par clivage.

L'objectif de cette thèse est de développer en lien avec EDF R&D un modèle micromécanique multi-échelle robuste basé sur un modèle d'homogénéisation à champs moyens en élasto-viscoplasticité cristalline qui sera complété par des calculs numériques champs complets (FFT/FEM) effectués au LEM3 et à EDF R&D. Les schémas d'homogénéisation considéreront à la fois l'échelle bi-cristalline et l'échelle poly-cristalline et devra être capable de prédire le comportement mécanique complexe de ces aciers inoxydable duplex (austénite/ferrite). Le modèle d'homogénéisation à champs moyens développé pourra alors alimenté des calculs de structures EF et des modèles d'endommagement adaptés pour ces aciers chez EDF R&D. Le clivage dans la ferrite est contrôlé par les contraintes normales (au plan de clivage), qui nécessitent d'être bien estimées par des modèles récents d'homogénéisation en élasto-viscoplasticité cristalline. Un modèle à « champs translatés » d'extension affine établi en grandes déformations sera développé au LEM3 et utilisé pour cette thèse avec des lois cristallines où un bon compromis physique/numérique sera recherché. De plus, à l'issue de cette thèse, une collaboration avec un autre partenaire académique (S. Forest, J. Besson, Centre des Matériaux, Mines) pourra être envisagée en ce qui concerne l'utilisation des résultats de la thèse pour améliorer les modèles d'initiation de l'endommagement et de clivage. Dans la présente thèse, la stratégie du modèle d'homogénéisation sera de considérer le glissement cristallographique dans les deux phases et une modèle d'homogénéisation bi-cristalline permettant de prendre en compte l'arrangement et l'imbrication des lattes monocristallines de ferrite et d'austénite (percolation). La valeur ajoutée pour EDF R&D est d'améliorer la description mécanique de la structure biphasée en lattes et les interactions mécaniques entre phases dans un modèle d'homogénéisation physiquement raffiné et numériquement efficace pour son implémentation dans le code EF développé par EDF R&D (code aster). Le principal résultat attendu du projet de thèse sera de permettre d'identifier précisément le comportement homogénéisé de microstructures bi-cristallines austéno-ferritiques en lattes pour ces aciers duplex vieillis.

Description du travail et résultats attendus:

Un modèle d'homogénéisation à l'échelle du bi-cristal (ferrite + austénite) sera développé et adapté à la structure bi-percolée. Comme point de départ, un modèle auto-cohérent basé sur l'approche à « champs translatés » (TF) avec formulation affine sera pris en main [3,4]. Le modèle prendra en compte le comportement élasto-viscoplastique du monocristal en grandes transformations [5,6] des phases ferritique (CC) et austénitique (CFC) basés sur les lois d'écrouissage intra-cristallines et les lois d'écoulement du glissement adaptées pour cet acier. Le cas de la ferrite (phase CC) sera spécifiquement étudié de même que les relations d'orientations cristallographiques entre les deux phases. Les contraintes et déformations locales et particulièrement les contraintes normales (au plan de clivage qui dont utiles pour comprendre l'endommagement du matériau) seront calculées pour la structure bi-cristalline. À la suite de Bugat et al. [1,2], l'effet des morphologies de variantes de ferrite par rapport à l'austénite sera considéré au travers de tenseurs d'Eshelby qui pourront approximer (sans faire automatiquement des calculs de cellules) les formes de lattes par des hétérogénéités ellipsoïdales. Le modèles d'homogénéisation sera validé par des campagnes de calculs champs complets type FFT (comme récemment développé dans [7]) / EF en lien avec EDF sur cellules élémentaires afin de valider le modèle homogénéisé pour différents chargements mécaniques prenant en considération la microstructure réelle et la bi-percolation. Des mesures EBSD combinées au FIB à EDF/MAI pourront aussi donner une description 3D cristallographique/morphologique de l'arrangement et de l'imbrication des phases. Cet élément important sera considéré pour raffiner le modèle d'homogénéisation à champs moyens pour le bi-cristal.

Les résultats attendus et différents livrables du projet de thèse sont les suivants:
- Développement d'un modèle d'homogénéisation "champs moyens" pour le bi-cristal (ferrite + austénite) d'aciers inoxydables duplex austéno-ferritiques incluant le glissement cristallographique, les orientations cristallines des phases, un formalisme "grandes déformations" et les morphologies en lattes des phases,
- Des calculs de cellules par technique "champs complets "FFT (« Fast Fourier Transform » en anglais) en élasto-viscoplasticité cristalline sur des microstructures bi-cristallines (ferrite + austénite) réalistes avec prises en compte des morphologies, de l'arrangement des phases (percolation) et des relations d'orientations cristallographiques entre les phases,
- Développement des équations constitutives du nouveau modèle d'homogénéisation pour aciers duplex austéno-ferritiques vieillis en utilisant les modèles de plasticité cristalline d'EDF R&D dans un formalisme "grandes déformations" et transfert via MFront aux calculs par EF à EDF R&D.

Les aciers duplex austéno-ferritiques sont largement utilisés dans le circuit primaire des centrales nucléaires de type réacteur à eau pressurisée. Il est bien établi qu'à la température de service (environ 320°C) et après de longues périodes d'exposition (plus de 10 000 heures), la phase ferritique de ces aciers duplex peut être fragilisée par un phénomène appelé ``fragilisation à 475°C'' (cf. Bugat et al. [1,2]). Ainsi, la ferrite subit un changement de mode de rupture d'une rupture ductile à un mode de fissuration par clivage.


References:

[1] S. Bugat, J. Besson, A.-F. Gourgues, F. N'Guyen, A. Pineau. Microstructure and damage initiation in duplex stainless steels. Mater. Sci. Eng. A317,32–36, 2001.
[2] S. Bugat, J. Besson, A. Pineau. Micromechanical modeling of the behavior of duplex stainless steels. Comp. Mater. Sci. 16, 158-166, 1999.
[3] C. Mareau, S. Berbenni, An Affine formulation for the Self-Consistent modeling of Elasto-Viscoplastic heterogeneous materials based on the Translated Field method, Int. J. Plast. 64, 134 150, 2015.
[4] S. Lhadi, S. Berbenni, N. Gey, T. Richeton, L. Germain, Micromechanical modeling of the effect of elastic and plastic anisotropies on the mechanical behavior of β-Ti alloy, Int J. Plast. 109, 88–107, 2018.
[5] J.P. Lorrain. Ductility criterion based on ellipticity loss of the elastic-plastic tangent modulus deduced from a self-consistent model. PhD Thesis, Arts et Métiers Paris Tech, Metz 2005.
[6] S. Forest, P. Pilvin, Modelling Finite deformation of polycrystals using Local Objective Frames. ZAMM 79, 199-202, 1999.
[7] K.S. Djaka, S. Berbenni, V. Taupin, R. A. Lebensohn. FFT-based numerical implementation of Mesoscale Field Dislocation Mechanics: application to two-phase laminates. 2018, submitted.

Contexte de travail

Cette thèse se déroulera au sein du laboratoire LEM3 (Metz) (UMR CNRS 7239) dans le département IMPACT et en lien avec EDF R&D.

Le LEM3 (http://lem3.univ-lorraine.fr) est une Unité Mixte de Recherche n° 7239 CNRS - Université de Lorraine - Arts et Métiers ParisTech, rattachée principalement à l'Institut des Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (INSIS) du CNRS. Les domaines d'activité du LEM3 concernent: les Matériaux, la Mécanique, l'étude des Microstructures et des Procédés. des matériaux, modélisation micromécanique, méthodes numériques.

L'école doctorale de rattachement est l'école doctorale C2MP (Chimie-Mécanique-Matériaux-Physique) de l'Université de Lorraine(http://doctorat.univ-lorraine.fr/fr/les-ecoles-doctorales/c2mp/presentation).

Contraintes et risques

Pas de contraintes particulières.

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