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SUJET POURVU - Inclusions et précipitation du microalliage Ti + Nb dans les aciers pour emboutissage à chaud : amélioration des propriétés d'emploi

SUJET POURVU - Inclusions et précipitation du microalliage Ti + Nb dans les aciers pour emboutissage à chaud : amélioration des propriétés d'emploi

SUBJECT OF THESIS PROVIDED - Inclusions and Ti+Nb microalloying element precipitation in press hardening steels: towards improvement of in-use properties

Proposition de thèse

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

SMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur

Directeur de thèse

GOURGUES Anne-Françoise

Co-directeur de thèse

ESIN Vladimir

Unité de recherche

Centre des Matériaux

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

Aciers, Microstructure, Précipitation, Déformation, Rupture

Steels, Microstructure , Precipitation, Deformation , Fracture

Résumé

Le projet de recherche vise à améliorer la compréhension du lien entre la composition chimique (notamment éléments de microalliage et éléments interstitiels tels que le carbone ou l'azote), la microstructure et l'aptitude au pliage et au crash d'aciers emboutissables à chaud pour caisse en blanc automobile.

The research project aims at improving understanding of the links between chemistry (microalloying and interstitial elements as C and N) ,microstructure and In-use properties of Press hardened steels such as bendability or crashworthiness.

Contexte

Le développement de véhicules automobiles plus légers et résistants en crash passe par l'utilisation d'aciers à haute résistance et à ductilité contrôlée. Une des familles largement utilisée est composée d'aciers emboutissables à chaud, appelés PHS (Press Hardened Steels). Livrés à l'état recuit chez l'emboutissseur, ils sont déformés en phase austénitique (vers 900°C) et aussitôt trempés sous l'outil, ce qui leur confère une microstructure martensitique et une résistance mécanique élevée, entre 1000 et 2000 MPa. Ces aciers ont connu un essor remarquable, en particulier la famille Usibor® au sein d'ArcelorMittal. La concurrence internationale est rude pour le développement de ces nouveaux matériaux, largement répandus sur le marché.
Une voie actuellement explorée pour augmenter leur résistance consiste à ajouter des éléments de microalliage (Nb, Ti) susceptibles de produire une fine précipitation durcissante de nitrures, carbures ou carbonitrures au sein de la martensite. Ces ajouts vont cependant de pair avec une précipitation plus grossière au début de la mise en œuvre (en particulier la solidification), susceptible d'affecter la tenue à la rupture, en particulier lors des essais de pliage qui sont utilisés comme référence pour évaluer la tenue au crash. Il est donc primordial d'établir le lien, mal connu dans la littérature, entre teneurs en ces éléments chimiques, microstructure associée (population de précipités, solution solide) et tenue à la fissuration ductile lors d'un essai de pliage. Plus généralement, on s'intéresse à une amélioration de la tenue en crash de ces aciers.
Apporter des outils de compréhension pour définir des compositions chimiques optimales vis-à-vis de la population inclusionnaire des aciers PHS pour des propriétés d'emploi améliorées sera l'objectif industriel majeur de la thèse.
Le travail de recherche lié à ce projet de thèse se situe dans le domaine de la métallurgie allié à la mécanique. Il visera notamment à :
1/ la compréhension de l'effet du micro-alliage en termes de formation d'inclusions et de précipités (quantité, tailles, distribution) en fonction du carbone en premier lieu, et en deuxième lieu de l'azote,
2/ le lien avec les propriétés d'usage après emboutissage,
3/ la compréhension des mécanismes de rupture en vue d'établir un critère de rupture intégrant les effets de la composition chimique via la microstructure.

Encadrement

Directeur de thèse : Anne-Françoise GOURGUES - Centre des Matériaux
Co-Encadrant : Vladimir ESIN - Centre des Matériaux
Co-Encadrant : Farida AZZOUZ
Encadrants industriels: Dr Clément PHILIPPOT et Dr Emmanuel LUCAS, ArcelorMittal Global R&D Maizières

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.

Métallurgiste avec de bonnes bases en mécanique des matériaux. Goût pour l'expérimentation et l'expertise dans un contexte à fort enjeu industriel.

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.

Metallurgy with a stron basis in mechanics of materials. Commitment in experiments and expertise in a context facing with strong industrial challenges.

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

• Du point de vue du projet industriel, on attend de ces travaux l'établissement de règles pour optimiser la composition chimique de ces familles d'aciers, pour les éléments chimiques étudiés, en vue d'améliorer les propriétés d'usage ; notamment l'aptitude au pliage et par ce biais une bonne résistance au crash.
• Du point de vue scientifique, on améliorera le lien entre précipitation, microstructure martensitique et résistance à la rupture ductile des aciers ; un tel lien pourrait, dans un avenir plus lointain, être envisagé sur des métallurgies éventuellement plus complexes.
• Du point de vue de la formation par la recherche, une excellente formation en métallurgie et en études microstructurales (avec les outils de caractérisation associés), une solide formation en mécanique (notamment mécanique de la rupture) seront les apports majeurs du travail de thèse. La pratique d'un environnement à fort enjeu de R&D industrielle sera un atout pour un(e) candidat(e) intéressé(e) par une carrière industrielle. Ce type de profil, combinant métallurgie et mécanique, est recherché par de nombreux secteurs industriels. Une initiation ponctuelle à l'enseignement sera possible. Une première pratique de la communication scientifique (orale en conférence et écrite par des articles de revue) fait également partie de la formation doctorale.

Objectif

Comme beaucoup de matériaux à très haute résistance, les aciers PHS sous forme de tôle fine peuvent être sensibles à une rupture ductile sur bandes de déformation localisée, que l'on retrouve classiquement dans le cas du pliage [1-3]. On retrouve d'ailleurs le même phénomène dans d'autres matériaux renforcés par précipitation et d'un rapport limite d'élasticité / résistance à la rupture élevé, tels que les aciers maraging et certains alliages d'aluminium. On le retrouve aussi sur des aciers austénitiques à forte capacité d'écrouissage mais sensibles au vieillissement dynamique [4-5]. L''interaction entre localisation de la déformation, endommagement (très localisé lui aussi), rupture ductile et microstructure (précipitation, matrice avec sa propre capacité d'écrouissage) est actuellement une question scientifique ouverte. Le projet vise à progresser dans la compréhension de ces interactions, dans le cas d'une composition chimique relativement simple, d'une microstructure a priori homogène et peu texturée à l'échelle macroscopique (martensite issue d'une austénite non déformée) pour laisser largement la place aux effets de précipitation et d'interactions entre précipités de différentes tailles.

Références

[1] D. Rèche, T. Sturel, O. Bouaziz, A. Col, A.-F. Gourgues-Lorenzon, “Damage development in low alloy TRIP-aided steels during air-bending”, Materials Science and Engineering A, A528 (2011), pp. 5241-5250. doi: 10.1016/j.msea.2011.03.0
[2] D. Rèche, J. Besson, T. Sturel, X. Lemoine, A.-F. Gourgues-Lorenzon, “Analysis of the air-bending test using finite-element simulation: Application to steel sheets”, International Journal of Mechanical Sciences 57 (2012), pp. 43-53. doi:10.1016/j.ijmecsci.2012.01.014
[3] Delphine Rèche : Relations entre microstructure et aptitude au pliage des aciers à très haute résistance pour application automobile. Thèse de doctorat, MINES ParisTech, 18 mars 2011. Directeurs de thèse : A.F. Gourgues-Lorenzon, J. Besson. Collaboration : ArcelorMittal. Manuscript (in English) available from http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00973376.
[4] J. Lorthios, M. Mazière, X. Lemoine, P. Cugy, J. Besson, A.-F. Gourgues-Lorenzon, “Fracture behaviour of a TWIP-aided Fe-22Mn-0.6C-0.2V austenitic steel”, International Journal of Mechanical Sciences 101-102 (2015), pp. 99-113. doi:10.1016/j.ijmecsci.2015.07.029
[5] Julie Lorthios : Endommagement des aciers TWIP pour application automobile. Thèse de doctorat, MINES ParisTech, 10 juin 2011. Directeurs de thèse : A.F. Gourgues-Lorenzon, J. Besson, M. Mazière. Collaboration : ArcelorMittal. Manuscrit (en français) disponible sur http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00689791

Type financement

Convention CIFRE

Partenariat/contrat

CIFRE ArcelorMittal

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