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POURVU - Etude expérimentale et modélisation de la relation entre conditions de traitement thermique, microstructure et ténacité d'aciers faiblement alliés trempés revenus

POURVU - Etude expérimentale et modélisation de la relation entre conditions de traitement thermique, microstructure et ténacité d'aciers faiblement alliés trempés revenus

PROVIDED - Experimental investigation and modelling of the relationship between heat treatment conditions, microstructure and toughness of quenched and tempered low alloy steels

Proposition de thèse

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

GOURGUES Anne-Françoise

Unité de recherche

Centre des Matériaux

Contact
Date de validité

01/10/2019

Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Formations/Etudes-doctorales/
Mots-clés

Aciers bainitiques, microstructure, rupture par clivage, ténacité

Bainitic steels, microstructure, cleavage fracture, toughness

Résumé

Le projet vise à cartographier et à modéliser les relations entre paramètres de traitement thermique (vitesse de trempe, conditions de revenu), microstructure (matrice et précipités) et résistance au clivage d'aciers bainitiques utilisés pour la fabrication de gros composants forgés dans les réacteurs nucléaires à eau sous pression actuels et futurs. Les travaux seront majoritairement expérimentaux mais les connaissances nouvellement acquises seront capitalisées et valorisées dans un modèle.

The research project aims at mapping and modelling the relationships between heat treatment parameters (cooling rate, tempering conditions), resulting microstructure (matrix and precipitates) and the resistance to cleavage fracture of bainitic steels that are used as heavy forged components of current and future pressurized water nuclear power plants. This work is to be mainly experimental but the newly acquired knowledge will also be capitalized into a model.

http://www.mines-paristech.fr/Formation/Doctorat/Propositions-de-sujets-de-these/

Contexte

Les aciers de type 16, 18 ou 20MND5 sont utilisés par FRAMATOME pour la réalisation de l'enveloppe sous pression des gros composants des REP, tels que la cuve, les générateurs de vapeur, et le pressuriseur. Le traitement thermique final de ces aciers consiste en une austénitisation (température légèrement supérieure à Ac3), une trempe à l'eau et un revenu (vers 650°C), puis un « détensionnement » (au voisinage de 615°C). La structure visée à l'issue de ce traitement est bainitique, avec le moins possible de ferrite pro-eutectoïde afin d'assurer une bonne combinaison entre résistance et ténacité.

Du fait des fortes épaisseurs, variables d'une pièce à l'autre (150 à 700 mm), ces aciers subissent localement une large gamme de vitesses de refroidissement à la trempe. Ils présentent, de ce fait, une large gamme de microstructures, majoritairement bainitiques mais pouvant contenir de la ferrite (mi-épaisseur des composants les plus épais) ou de la martensite (dans certaines zones proches des surfaces lors de la trempe).

Ces composants sont soumis, dans leur phase de conception, à une vérification de l'absence de risque de rupture brutale fragile, faisant intervenir la ténacité du matériau dans la transition ductile-fragile. Une approche codifiée, nécessairement simple, basée sur une approche purement empirique reposant sur un grand nombre d'essais de ténacité, établis sur des produits d'épaisseurs différentes permet de fournir une « courbe enveloppe inférieure» des données de ténacité en fonction de la température. La dispersion des données sur laquelle repose cette courbe est cependant très élevée.

L'objectif du travail de thèse qui est proposé ici est de mettre en évidence l'effet sur la microstructure et son lien quantitatif avec les propriétés mécaniques (traction et ténacité), de certains paramètres du traitement thermique :
• Les variations importantes des vitesses de refroidissement à la trempe qui peuvent être rencontrées au sein d'une même pièce très épaisse (entre la surface et le cœur) ou entre pièces d'épaisseurs très différentes,
• L'effet des paramètres du traitement de revenu : variation de température de fournée à fournée, variation de temps de maintien à la température de revenu selon la position dans l'épaisseur des pièces.

Les travaux de thèse s'inscrivent dans l'approche locale de la rupture, qui permet de rendre compte de l'effet des propriétés de traction et de la plasticité sur la transition de ténacité dans le domaine du clivage, en particulier pour la limite basse de la transition fragile-ductile. Les modèles dérivés de celui de BEREMIN [Beremin, 1983] font intervenir, à partir de considérations physiques, une loi statistique de la contrainte de clivage, de type Weibull à deux paramètres. Les paramètres sont ajustés matériau par matériau. Ce type de modèle a récemment fait l'objet d'un apport important [Forget, 2016] par l'introduction explicite de deux éléments :
• La distribution expérimentale de la taille des carbures, initiateurs de la rupture par clivage dans certains cas, qui résulte à la fois du refroidissement après austénitisation et du revenu ;
• La distribution des contraintes issues de simulations en plasticité cristalline des incompatibilités des déformations entre grains (hérités des transformations de phase lors du refroidissement).
Les résultats actuels de ce modèle, dénommé MIBF, montrent que ces « représentations » de deux aspects de la microstructure (carbures, contraintes d'incompatibilité plastique) ainsi couplées, permettent d'obtenir une prévision satisfaisante des distributions de contrainte de clivage et de ténacité lorsque la rupture par clivage est amorcée sur les carbures. Ce point reste cependant à confirmer sur l'ensemble des microstructures présentes dans ces pièces.

Encadrement

Directeur de thèse : ME GOURGUES Anne-Françoise - Centre des Matériaux
Co-Encadrant externe : MARINI Bernard - CEA SACLAY

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.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) : Métallurgiste avec de bonnes bases en mécanique des matériaux. Goût pour l'expérimentation et l'expertise dans un contexte à fort enjeu industriel. Une expérience en caractérisation microstructurale est souhaitée.

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.

Prerequisite (specific skills for this thesis): Metallurgist with sound knowledge in mechanics of materials. The student should be motivated by experiments and for specimen investigation in a strongly industrial context. Microstructural characterization skills are desirable.

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


Résultat attendu

• Amélioration de la compréhension du lien entre conditions de traitement thermique, microstructure et ténacité d'un acier faiblement allié, dans une large gamme de microstructures.
• Pour le (la) doctorant(e) : formation solide en métallurgie mécanique, avec un équilibre entre caractérisations microstructurales et caractérisations mécaniques. Le projet est à dominante expérimentale mais la modélisation métallurgique comme mécanique fait partie intégrante des travaux. Cette formation doctorale apportera à un(e) candidat(e) motivé(e) des connaissances approfondies des transformations de phase dans les aciers trempés revenus, largement utilisés dans l'industrie (génération et transport d'énergie, construction navale, construction automobile...) ; une expérience de recherche à fort enjeu industriel (contacts réguliers avec EDF et FRAMATOME) à la fois en laboratoire académique (Centre des Matériaux) et au CEA Saclay ; une formation à la valorisation et à la communication des résultats scientifiques (publication, présentations orales...). Une participation ponctuelle à des activités d'enseignement (notamment, encadrement de projets et de travaux pratiques) est possible.

Objectif

L'objectif scientifique du projet de thèse est de déterminer expérimentalement, de quantifier et de modéliser la relation entre le traitement thermique, la microstructure résultante (microtexture des grains, taille des carbures et plus généralement éléments contrôlant le clivage) et les caractéristiques mécaniques de ces aciers. Si certains éléments sont déjà bien connus (certains diagrammes TRC, l'effet des plus gros carbures sur l'amorçage de la rupture par clivage), l'état de l'art ne comporte pas d'étude systématique du lien entre historique thermique, microstructure et ténacité de cette famille d'aciers.

Les travaux s'intéresseront à une large gamme de microstructures (allant d'une forte proportion de ferrite dans une matrice de bainite supérieure à une proportion significative de martensite dans une matrice de bainite inférieure). Ces microstructures seront produites en faisant varier la vitesse de trempe et les conditions de revenu. Un premier plan d'expériences est en cours d'élaboration afin de disposer de matière traitée dès le début des travaux de thèse mais le (la) doctorant(e) participera à l'élaboration des campagnes expérimentales suivantes, en particulier, des essais de compréhension.

Références

A. Andrieu, A. Pineau, P. Joly, F. Roch, D. Ryckelynck, “Influence of P and C intergranular segregation during manufacturing and ageing on the fracture toughness of nuclear pressure vessel steels”, Procedia Materials Sciences 3 (2014), pp. 655-660. doi:10.1016/j.mspro.2014.06.108

F.M. Beremin, “A local criterion for cleavage fracture of a nuclear pressure vessel steel”, Metallurgical Transactions A, vol. 14, 11 (1983), pp 2277–2287. doi:10.1007/BF02663302

P. Forget, B. Marini, L. Vincent, “Application of local approach to fracture of an RPV steel: effect of the crystal plasticity on the critical carbide size”, Procedia Structural Integrity, Volume 2, 2016, Pages 1660-1667. doi:10.1016/j.prostr.2016.06.210

A. Lambert-Perlade, A.F. Gourgues, J. Besson, T. Sturel, A. Pineau, “Mechanisms and modelling of cleavage fracture in simulated heat-affected zone microstructures of a high-strength low alloy steel”, Metallurgical and Materials Transactions A, 35A (2004) pp. 1039-1053. doi:10.1007/s11661-004-1007-6

F. Tankoua, J. Crépin, P. Thibaux, S. Cooreman, A.F. Gourgues-Lorenzon, “Quantification and microstructural origin of the anisotropic nature of the sensitivity to brittle cleavage fracture for hot-rolled pipeline steels”, International Journal of Fracture 212 (2018), pp. 143-166, doi:10.1007/s10704-018-0297-4

B. Tanguy, J. Besson, R. Piques, A. Pineau, “Ductile-brittle transition of a A508 steel characterized by the Charpy impact test. Part-I: experimental results”, Engineering Fracture
Mechanics 72 (2005), pp. 49-72. doi :10.1016/j.engfracmech.2004.03.01

Type financement

Contrat de recherche

Partenariat/contrat

Bourse CEA

Document PDF

https://www.adum.fr/download.pl?tk=plevbr2nzhqonoxnu7fwi1bbvfvjz1nk

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