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SUJET POURVU - Transformations de phases et comportement mécanique à haute température d'un alliage de zirconium (M5) : effets de l'historique de température

SUJET POURVU - Transformations de phases et comportement mécanique à haute température d'un alliage de zirconium (M5) : effets de l'historique de température

SUBJECT OF THESIS PROVIDED - Phase transformations and high-temperature mechanical behavior of a zirconium alloy (M5): effects of thermal history

Proposition de thèse

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

SMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur

Directeur de thèse

GOURGUES Anne-Françoise

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactAnne-Françoise GOURGUES
Date de validité

01/10/2018

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

Alliages de zirconium , Microstructure, Transformations de phase , Comportement viscoplastique

Zirconium alloys , Microstructure, Phase transformations , Viscoplastic behavior

Résumé

Le projet de recherche vise à améliorer la compréhension du lien entre l'historique thermique, les transformations de phase, la microstructure résultante et le comportement viscoplastique d'un alliage de zirconium. Il fera appel à une forte composante expérimentale et à une capitalisation des connaissances métallurgiques et mécaniques sous la forme de modèles, analytiques et numériques.

The research project aims at improving the current understanding of the relationship between the thermal history, phase transformations, the resulting microstructure and the viscoplastic constitutive behavior of a zirconium based alloy. It involves a strong experimental component as well as knowledge capitalization into analytical and numerical, metallurgical and mechanical models.

Contexte

La sûreté des réacteurs nucléaires à eau légère repose en grande partie sur le bon comportement des gaines des crayons combustibles, qui sont en alliage de zirconium. Dans certaines situations accidentelles hypothétiques, ces gaines peuvent être soumises à un chargement thermomécanique complexe. En particulier, suivant le scénario envisagé, la température des gaines peut évoluer de manière non monotone, en passant par des températures supérieures à 800°C, de telle sorte que le matériau est susceptible de changer plusieurs fois de phase, partiellement ou complètement, et de voir sa microstructure et ses propriétés mécaniques évoluer.
L'objectif de la thèse sera d'étudier et de modéliser les transformations de phases, les évolutions microstructurales et le comportement mécanique d'un alliage base zirconium (le M5 de Framatome), afin de pouvoir rendre compte des effets de l'historique de température. La thèse sera réalisée au sein du Service de Recherches Métallurgiques Appliquées du CEA et du Centre des Matériaux de MINES ParisTech, en partenariat avec EDF et Framatome, dans la continuité de travaux antérieurs [1-3].
La cinétique des transformations de phase des alliages de Zr en conditions dynamiques est généralement caractérisée de manière indirecte par dilatométrie, en appliquant des rampes de température simples, souvent au chauffage [1]. Les cinétiques ainsi obtenues et les modèles de transformation de phase identifiés à partir de ces données sont impactés par l'évolution de la texture cristallographique du matériau lors du changement de phase. Par ailleurs, il est probable que la transformation de phase dépende de l'historique complexe de température.
Les lois de déformation viscoplastique actuelles ont été établies, pour la phase ?Zr, la phase ?Zr et le mélange des deux phases, à partir de résultats d'essais de fluage isotherme et/ou de fluage avec température croissante (rampe de température) [1-3]. Des résultats ont montré que le comportement en fluage est modifié après traitement dans le domaine ?Zr [3]. Les lois de déformation actuelles pourraient être améliorées en rendant en compte du comportement de cette structure particulière dite ex-?Zr, résultant de la transformation ?Zr ? ?Zr, ou des mélanges (?Zr + ex-?Zr), (?Zr + ex-?Zr + ?Zr) et (ex-?Zr + ?Zr).
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 acquérir les données et à apporter les éléments de compréhension complémentaires à ceux acquis lors des travaux précédents menés au CEA, en partenariat avec EDF et Framatome, et en collaboration avec le Centre des Matériaux de MINES ParisTech [1-3], pour pouvoir, in fine, développer des modèles améliorés permettant de décrire les transformations de phases et le comportement mécanique de l'alliage M5 de Framatome lors de transitoires complexes de température.

Encadrement

Directeur de Thèse : Anne-Françoise GOURGUES - Centre des Matériaux
Co-encadrant externe : CEA Saclay (SRMA)
Dr Matthieu LE SAUX,
Dr Marie DUMERVAL,
Dr Jean-Christophe BRACHET

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. De très solides bases en transformations de phases sont exigées. Fort goût pour l'expérimentation ainsi que l'expertise microstructurale. Une très bonne pratique (compréhension et expression) du français écrit et oral est requise.

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 Eenglish is required)
Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity.
Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Metallurgist with sound knowledge in mechanics of materials. A very strong background in phase transformations is required. Comittment in experimental work and microstructural analysis is required. A very good practice (both understanding and expression) in French, both oral and written, is required for this particular project.

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'acquisition et la capitalisation de connaissances expérimentales sur le lien entre historique thermique, microstructure et résistance à la déformation viscoplastique.
• Du point de vue scientifique, on améliorera la compréhension du lien entre historique thermique, changements de phase, microstructure multiphasée et comportement mécanique des alliages de zirconium.
Du point de vue de la formation par la recherche :
• Une excellente formation en métallurgie (avec les outils de caractérisation associés), une solide formation en mécanique expérimentale (notamment caractérisation à haute température) et à la modélisation (métallurgique et mécanique) seront les apports majeurs du travail de thèse. L'approche proposée est relativement générique. La problématique du couplage entre changements de phases, évolutions microstructurales et comportement mécanique à haute température est généralisable à d'autres applications car elle est, par exemple, rencontrée pour d'autres familles d'alliages, comme les alliages de titane utilisés dans le domaine de l'aéronautique.
• 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 nationale et internationale et écrite par des articles de revue) fait également partie de la formation doctorale.
M5 est une marque enregistrée de Framatome ou de ses filiales, aux USA ou dans d'autres pays.

Objectif

L'effet de la microstructure initiale sur les transformations de phase au chauffage et, plus généralement, les effets d'histoire sur les modifications microstructurales des alliages de zirconium en condition de chauffage rapide seront étudiés.
Le projet permettra d'explorer (entre autres) deux microstructures initiales très différentes, à savoir la microstructure équiaxe (état de réception) et les microstructures en lattes, issues de gros grains ?Zr, issues d'une excursion à très haute température.
L'effet d'histoire thermique sur le comportement viscoplastique est à approfondir. Cette problématique est également rencontrée dans les alliages de titane. Les résultats de ces travaux de recherche seront donc potentiellement applicables à un vaste champ de la métallurgie.

Références

[1] Kaddour, D., Gourgues-Lorenzon, A.F., Brachet, J.C., Portier, P., Pineau, A. (2011). Microstructural influence on high temperature creep flow of Zr–1%NbO alloy in near-?, (? + ?), and ? temperature ranges in a high vacuum environment. Journal of Nuclear Materials 408, 116-124. doi:10.1016/j.scriptamat.2004.05.046 et https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00166052
[2] Kaddour, D. (2004). Fluage isotherme et anisotherme dans les domaines monophasés (alpha et bêta) et biphasé (alpha + bêta) d'un alliage Zr-1%NbO. Thèse de doctorat, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, France. Directeurs de thèse : A. Pineau, A.F. Gourgues-Lorenzon. Manuscrit disponible sur http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00162151
[3] Trego, G. (2011). Comportement en fluage à haute température dans le domaine biphasé (?+?) du M5®. Thèse de Doctorat, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, France. Directeurs de thèse : S. Forest, A.F. Gourgues-Lorenzon. Manuscrit disponible sur http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00688207

Type financement

Contrat de recherche

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