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SUJET POURVU - Approche multiéchelles du comportement mécanique de revêtements Zn-Al-Mg de tôles d'acier galvanisées au trempé

SUJET POURVU - Approche multiéchelles du comportement mécanique de revêtements Zn-Al-Mg de tôles d'acier galvanisées au trempé

SUBJECT OF THESIS PROVIDED - Multiscale approach of the mechanical behaviour of hot-dip Zn-Al-Mg coatings on a steel sheet

Proposition de thèse

Spécialité

Mécanique

Ecole doctorale

SMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur

Directeur de thèse

MAUREL Vincent

Co-directeur de thèse

FOREST Samuel

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactVincent MAUREL
Date de validité

01/10/2018

Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Recrutements/Theses/
Mots-clés

revêtement, plasticité cristalline, endommagement, clivage, mesures de champs

coating, crystal plasticity, damage, cleavage fracture, strain field measurements

Résumé

Arcelor-Mittal est engagé dans un programme de recherches visant à caractériser la formabilité et les propriétés mécaniques des revêtements Zn-Al-Mg de tôles d'acier galvanisées au trempé, en fonction de leur microstructure de solidification.
La stratégie de recherches s'articule autour de 5 axes : choix des matériaux d'études, méthodes avancées de caractérisation, propriétés mécaniques macroscopiques des revêtements, modélisation des propriétés à l'échelle de la microstructure et identification des mécanismes d'endommagement intra- et intergranulaires.
La thèse proposée a pour objectif de mettre en œuvre des méthodes originales pour contribuer à la connaissance des propriétés des revêtements Zn-Al-Mg selon plusieurs axes du programme précédent. Elle vise également à jeter les bases d'une stratégie d'optimisation des microstructures.

Arcelor-Mittal is carrying out a research program aiming at determining the forming and mechanical properties of Zn-Al-Mg coatings on hot-dip galvanized steel sheets, depending on the solidification microstructures.
The research strategy is developed along 5 lines: material selection, advanced characterization techniques, macroscopic mechanical properties of coatings, mesoscale modelling of microstructures and identification of deformation and inter- and transgranular damage mechanisms.
The proposed PhD project aims at applying advanced characterization and modeling techniques for a better understanding of the mechanical properties of Zn-Al-Mg coating along the previous lines. The objective is to draw from these observations new guidelines for the microstructure optimization.


1. Selected materials

Arcelor-Mittal has selected three types of coating on steel sheets having different compositions in Al and Mg. These coatings exhibit complex multiphase microstructures. Tensile tests will be performed on all three materias in order to identify the respective deformation and damage modes at the macroscopic scale (crack density and size) and at the mesoscopic scale (SEM analysis). One material will then be selected to perform the full proposed multiscale analysis.


2. Identification of deformation and damage mechanisms in the various phases
The experimental techniques are the following
• ionic polishing of surfaces, analysis of morphological and crystallographic textures by means of EBSD, chemical analysis;
• SEM analysis of surface and transverse sections of the coating for the identification of deformation modes (dislocation slip systems) and damage (cleavage planes, intergranular fracture);
• « Slice&View » au SEM-FIB characterization of the morphology and distribution of phases and defects; cross-sections to connect surface observations and underlying damage up to steel/coating decohesion;
Lattice orientation fields in the grains will be determined before and after tension. The crystallographic texture will be connected to the orientation of observed cracks. FIB observations by serial sectioning of the full coating thickness will be performed for some selected zones in the grains. This methodology has been successfully tested in [1]

3. Strain and damage field measurement at the macroscopic scale

Non-homogeneous deformation of the surface of coated tensile specimens can be quantified by means of digital image correlation methods providing the two-dimensional strain field and the distribution of cracks on representative surfaces. Notched samples will be used to concentrate the damage zones. The work-program contains: (i) strain field measurements (DIC), (ii) characterization of the crack networks depending on the overall strain level, and (iii) the description of the final crack distribution, following a methodology well-established in the lab [2]. These technique will be applied to all three materials. Finite element simulations will be performed to optimize the notch radii to study the influence of stress triaxiality on damage.
Some tests will be performed on the biaxial machines with cross-shaped samples. Combinations of tension and shear loading will be tested to trigger specific damage modes.
The obtained results, combined with suitable finite element computations, will be used to determine a macroscopic constitutive law and the toughness of the coatings.

4. Strain and damage fields at the mesoscale

High resolution microscopy, together with SEM, will be used to characterize the deformation and damage modes of the individual phases inside the grains. In situ tensile tests will be performed in order to extract the chronology of deformation and damage events, and also to determine the yield stress and cleavage stress of the various phases.
The surface roughness will be measured before and after deformation in order to distinguish the existing thickness fluctuations and the roughness induced by plasticity and damage.

5. Modeling and simulation

Finite element simulations at various scales will be performed all along the study either for preparation of the tests or for their interpretation.
Homogenization theory will be applied to estimate the stress level in the various phases and predict the inception of plasticity and damage. The homogenization models will be used to study the impact of the crystallographic texture on damage initiation [3,4,5].
Full field simulations are also planned using the 3D FIB images for a more detailed description of local fields and better identification of the constitutive laws of the phases.
Cohezive zone models can be used to predict damage initiation at grain boundaries or at the interfaces between the phases or at the coating/steel interface. The propagation of cracks from the surface to the steel/coating interface will be studied.

6. Guidelines for microstructure optimization

The results of this ambitious work will be used to derive guidelines for the design of tougher coatings by optimizing their microstructure. Degrees of freedom are the possible thermomechanical treatments and thermodynamic considerations possibly coupling CALPHAD predictions and the phase fied approach.

Contexte

La microscopie optique à haute résolution, ainsi que la microscopie électronique à balayage, seront utilisées pour caractériser les modes de déformation et d'endommagement des différentes phases. Des essais de traction in situ seront réalisés. L'objectif est d'extraire des informations concernant les limites d'élasticité et les contraintes de clivage de différentes phases.
Des analyses de rugosité seront conduites avant et après déformation afin de caractériser les variations d'épaisseurs existantes (défauts et retassures) ou induites par la déformation et l'endommagement. Des longueurs d'ondes distinctes sont attendues.

Encadrement

Directeur de thèse : Vincent MAUREL - Centre des Matériaux
Co-Directeur : Samuel FOREST - Centre des Matériaux

Domaine(s)

Les techniques mises en œuvre comprennent :
• la préparation de surface par polissage ionique, des analyses des textures morphologique et cristallographique par EBSD, analyse chimique EDS, voire microsonde;
• des analyses au MEB de la surface et de la tranche pour l'identification des mécanismes de déformations de chacune des phases (systèmes de glissement) et d'endommagement (rupture intragranulaire suivant des plans de clivage des phases);
• des analyses « Slice&View » au MEB-FIB pour caractériser la morphologie et la distribution des phases, ainsi que des défauts tels que les retassures ainsi que des découpes locales (cross-sections) afin de relier les observations de surface à la microstructure sous-jacente et son endommagement éventuel (notamment l'endommagement de l'interface Revêtement/Acier).

Les champs d'orientations des grains seront déterminés avant et après les essais de traction. La connaissance de la texture cristallographique et de son évolution sera corrélée à l'orientation des fissures observées. L'étude par FIB, permettant par coupes successives et mesures EBSD, d'obtenir une mesure de l'orientation et des endommagements observés selon toute l'épaisseur du revêtement sera réalisée pour quelques zones bien choisies dans les grains.
Cette démarche a déjà été testée avec succès sur des aciers galvanisés [1]

Profil candidat

Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum).
Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité.
Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Bases solides en sciences des matériaux ET en mécanique (modélisation et mécanique numérique)

Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant

• un curriculum vitae détaillé
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• Une attestation de niveau d'anglais

Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture.
Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required)
Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Strong bacground in materials science AND solid mechanics (modelling and computational mechanics)

Applicants should supply the following :

- a detailed resume
- a covering letter explaining the applicantÂ's motivation for the position
- detailed exam results
- two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted to provide an appreciation of the candidate

to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

Résultat attendu

L'ensemble du travail réalisé permettra de dégager des lignes directrices pour l'optimisation de la microstructure pour des propriétés mécaniques visées. La réflexion portera sur les traitements thermomécaniques recommandés mais aussi sur une ambitieuse approche thermodynamique couplant l'approche CALPHAD et la méthode des champs de phases.

Objectif

L'objectif du projet est de déterminer la formabilité de revêtements Zn-Al-Mg au trempé en liaison avec leur microstructure. L'étude en traction simple permet d'observer aisément les hétérogénéités de déformation et les fissures sur des surfaces représentatives. Des éprouvettes entaillées seront utilisées afin de localiser les zones d'endommagement. Les observations comprendront (i) les mesures de champs de déformation par corrélation d'images (DIC), (ii) la caractérisation des réseaux de fissures en fonction de la déformation appliquée et (iii) l'étude de la distribution finale de fissures, selon une démarche aujourd'hui bien établie au laboratoire [2]. Ces techniques seront appliquées aux trois matériaux. Des calculs par éléments finis permettront d'optimiser les rayons d'entaille pour étudier l'influence de la triaxialité sur les modes d'endommagement.
Des éprouvettes en croix permettront de solliciter les tôles sous chargement équibiaxial et de déterminer les réseaux de fissures correspondants. Des combinaisons de traction et de cisaillement pourront également être testées.
Les résultats obtenus, combinés à des calculs par éléments finis utilisant une loi de comportement macroscopique, permettront d'identifier la ténacité des revêtements.

Références

[1] J. Legendre, R. Créac'hcadec, A. Tanguy, S. Hallais, E. Héripré, F. Gilbert, D. Jacquet, J.-M. Mataigne, New in-situ methodology for multiscale analysis of the deformation of skin-pass zinc coating, submitted
[2] V. A. Esin, V. Maurel, P. Breton, A. Köster, S. Selezneff, Increase in ductility of Pt-modified nickel aluminide coating with high temperature ageing, acta materialia, vol. 105, pp. 505-518, 2016
[3] R. Parisot, S. Forest, A. Pineau, F. Nguyen, X. Demonet and J.-M. Mataigne, Deformation and Damage Mechanisms of Zinc Coatings on Galvanized Steel Sheets, Part I: Deformation Modes, Metallurgical and Materials Transactions, vol. 35A, pp. 797-811, 2004.
[4] R. Parisot, S. Forest, A. Pineau, F. Grillon, X. Demonet and J.-M. Mataigne, Deformation and Damage Mechanisms of Zinc Coatings on Galvanized Steel Sheets, Part II: Damage Modes, Metallurgical and Materials Transactions, vol. 35A, pp. 813-823, 2004
[5] Y.B. Park, I.G. Kim, S.G. Kim, W.T. Kim, T.C. Kim, M.S. Oh, and J.S. Kim, Orientation dependence of cracking in hot-dip Zn-Al-Mg alloy coatings on a steel sheet, Metallurgical and Materials Transactions, vol. 48, pp. 1013-1020, 2017

Type financement

Contrat de recherche

Partenariat/contrat

Contrat de recherche : OCAS Gent
Partenaire industriel : Arcelor-Mittal OCAS (Gent)

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