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SUJET POURVU - Etude de l'endommagement ductile lors de chargements complexes et à basse triaxialité par imagerie 3D synchrotron et calculs EF

SUJET POURVU - Etude de l'endommagement ductile lors de chargements complexes et à basse triaxialité par imagerie 3D synchrotron et calculs EF

SUBJECT OF THESIS PROVIDED - Ductile damage study for complex loading paths and low stress triaxiality via 3D synchrotron imaging and FE simulations

Proposition de thèse

Spécialité

Mécanique

Ecole doctorale

SMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur

Directeur de thèse

MORGENEYER Thilo

Co-directeur de thèse

MISSOUM-BENZIANE Djamel

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactThilo MORGENEYER
Date de validité

01/10/2018

Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Accueil/Propositions-de-theses/
Mots-clés

Endommagement, tomo(lamino)graphie, aluminium, transport, simulations, changement de trajet de chargement

Damage, tomo(lamino)graphy, aluminium, transport, simulations, load path change

Résumé

En vue de la recherche de matériaux plus légers et de structures minces optimisées pour l'application transport, la connaissance des mécanismes d'endommagement caractéristiques dans des tôles métalliques est essentielle. L'étude de l'endommagement ayant, pour l'instant, porté essentiellement sur des chargements proportionnels, les interactions entre déformation et endommagement ne sont pas appréhendées pour des changements de trajet de chargements bi-axiaux, pertinents pour le formage.
Cette thèse a pour but d'imager en 3D la microstructure dans des échantillons plats et d'observer son évolution lors des chargements. Dans ce but, nous étendons les capacités de la laminographie in situ, afin de dépasser les insuffisances d'autres techniques 3D pour ce genre d'échantillons plats. Une approche multi-échelles unique sera développée, allant de quelques centaines de micromètres à l'échelle nanométrique pour déterminer les cinétiques de germination et de croissance de l'endommagement. La déformation à l'intérieur des échantillons sera mesurée grâce à la corrélation d'images volumiques qui suit le contraste d'images 3D lors des chargements in situ.
Ces données hiérarchiques 3D serviront de données d'entrée précieuses pour des simulations éléments finis à l'échelle microscopique, type calculs de cellule. A partir de ces simulations, nous formulerons des modèles de la mécanique de milieux continus, adaptés pour prédire les propriétés mécaniques à l'emploi des structures.

In the pursuit of lighter materials and optimized thin-walled components for transportation, knowledge about the characteristic ductile damage mechanisms in metal sheets is key. As the study of damage in materials has, up to now, been focused on proportional loading, the strain-damage interaction is not understood for the highly application-relevant bi-axial loading with load path changes.
Thus, our proposal aims at three-dimensional (3D) imaging of the microstructure inside flat sheet specimens evolving during material testing under such loads. For this, we extend the capability of in situ synchrotron laminography to overcome inherent shortcomings of other 3D techniques for such kind of samples. It shall be developed into a unique multiscale imaging approach from a few hundred micrometres resolution down to the nanometre scale to determine the ductile damage nucleation and growth kinetics. Strain in the material bulk will be measured using digital volume correlation. Such hierarchical 3D data will then serve as valuable input for microscopic simulations and the formulation and validation of continuum damage models suited to predict engineering-relevant mechanical properties.

* Context of the project :
The PhD projet is part of an international ANR project with Germany and, in particular, the Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Two PhD students, a physicist and a computer scientist, at the institutes IPS et LAS will deal at KIT with the imaging part of the projet in terms of instrumentation and data reconstruction respectively. Joint meetings and measurement campaigns are planned at the synchrotrons ESRF and at the KIT synchrotron.
The obtained data on strain and damage interactions during load path changes are highly relevant for the industry. Hence, joint meetings with Constellium and Airbus are planned.

Approach of the PhD project :
During this PhD project, in situ experiments will be designed and pre-tests will be carried out at Centre des Matériaux to prepare the measurement campaigns at the synchrotron. Dedicated in situ loading devices will be designed or improved. Finite element simulations will be used to predict the generated stress states and to optimize sample geometries for the targeted stress states. The predicted strain fields will be compared to the measured strain fields by digital volume correlation to choose the adequate plasticity models for the simulations. The damage evolution will be quantified in terms of volume fraction and shape change as a function of stress and strain state. Unit cell calculations containing a single void will be carried out to interpret the observations.

Contexte

La thèse s'inscrit dans projet ANR international avec l'Allemagne et plus particulièrement le Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Deux doctorants, un physicien et un informaticien, rattachés aux instituts IPS et LAS y travailleront sur l'imagerie 3D en termes d'instrumentation et en termes de reconstruction et segmentation de données 3D. Des réunions et des campagnes d'essai communs entre les différents laboratoires sont prévues aux synchrotrons ESRF et au synchrotron du KIT.
Les données obtenues sur les cinétiques endommagement sont hautement intéressants pour l'industrie et des réunions avec Constellium et Airbus sont prévues.

Encadrement

Thilo Morgeneyer, directeur de thèse Centre des Matériaux
Missoum-Benziane Djamel co-encadrant Centre des Matériaux
Partenaire industriel : KIT, Allemagne

Profil candidat

Profil type pour une thèse à MINES ParisTech: 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.
Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :
Connaissances en mécanique des milieux continus, essais mécaniques serait un plus.

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

Typical profile for a thesis at MINES ParisTech: 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.
Prerequisite (specific skills for this thesis):

Knowledge of continuum mechanics and mechanical testing would be beneficial.

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
Your notes of M1, M2
level of English equivalent TOEIC

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

Références

A. Buljac, F. Hild, L. Helfen, T.F. Morgeneyer, 'On deformation and damage micromechanisms in strong work hardening 2198 T3 aluminium alloy',Acta Materialia, 149 (2018) 29-45
T.F. Morgeneyer, T. Taillandier-Thomas, L. Helfen, et al. 'In situ 3D observation of early strain localisation during failure of thin Al alloy (2198) sheet'. Acta Materialia, 69 (2014) 78-91
Morgeneyer T.F., Helfen L., Mubarak H., Hild, F., '3D Digital Volume Correlation of Synchrotron Radiation Laminography images of ductile crack initiation: an initial feasibility study', Experimental Mechanics, 53 (2013) 543-556,
Helfen L., Morgeneyer T.F., Xu F., Mavrogordato M.N., Sinclair I., Schillinger B., Baumbach T., “Synchrotron and neutron laminography for three-dimensional imaging of devices and flat material specimens” International Journal of Materials Research, 2 (2012) 170-173
Morgeneyer T.F., Besson J., Proudhon H., Starink M.J., Sinclair I., “Experimental and numerical analysis of toughness anisotropy in AA2139 Al-alloy sheet;” Acta Materialia, 57 (2009): 3902-3915

Type financement

Financement par crédits ANR

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