Propositions de sujets de these
(SUJET POURVU) Modélisation des effets de trempe et revenu sur la microstructure et les propriétés à rupture d'aciers faiblement alliés de type 16 à 20MND5 MND5
(SUBJECT PROVIDED) Modelling the effects of quenching and tempering on the microstructure and the fracture properties of 16-20MnNiMo5-type low alloy steels
Mots-clés
Bainite, Rupture fragile par clivage, Microstructure, Approche locale de la rupture
Bainite, brittle cleavage cracking, microstructure, local approach to fracture
Résumé
L'augmentation de la puissance des réacteurs nucléaires va de pair avec une augmentation des dimensions des pièces de forge en acier faiblement allié qui constituent les composants du circuit primaire. Ces grandes dimensions tendent à produire une hétérogénéité finale du matériau au sein des composants, que ce soit en termes de microstructure ou de propriétés mécaniques. Une des causes de cette hétérogénéité provient de la différence des vitesses de refroidissement lors de la trempe entre la peau et le cœur des composants de forte épaisseur. Une étude systématique de l'influence des paramètres de trempe et revenu sur la microstructure et les propriétés mécaniques d'un même acier faiblement allié a été initiée lors d'une précédente thèse (soutenance prévue en 2023). Les résultats obtenus permettent déjà de dégager des tendances qui devront toutefois être précisées au cours de cette seconde thèse sur le sujet.
Il conviendra à la fois d'approfondir par de nouvelles méthodes les observations microstructurales et les caractérisations mécaniques expérimentales et de les étendre à l'ensemble des conditions de traitements thermiques balayées. L'analyse quantitative de ces résultats alimentera alors une modélisation d'approche locale de la rupture tenant compte explicitement des éléments métallurgiques à l'origine du déclenchement de la rupture fragile de ces aciers. Cette modélisation devra pouvoir rendre compte de l'influence des traitements thermiques finaux sur la variation des propriétés mécaniques dans les gros composants forgés en acier faiblement allié.
The increase of power of the most recent nuclear reactors comes with an increase of the size of the heavy forgings constitutive of the components of the primary circuit. This tends to induce some heterogeneity of the constitutive low alloy steel, both in terms of microstructure and mechanical properties. One of the reasons for such a heterogeneity is the difference in cooling rate between the skin and the core of large thickness components during quenching. A systematic study of the influence of quenching and tempering parameters on the microstructure and mechanical properties of a given low alloy steel started during a previous PhD project (planned to be defended in 2023). The results allow sketching different trends that must be refined during the resent research project.
Hence, new relevant microstructural observations and mechanical characterizations will be performed and expanded to all available heat treatment configurations of the material. The quantitative analysis of these experimental results will then provide the necessary data to improve a local approach to fracture model that will explicitly rely on metallurgical parameters at the origin of the brittle failure of these steels. This model should be able to reproduce the influence of final heat treatments on through thickness variations of mechanical properties in heavy forged components.
Contexte
Les relations entre microstructure et propriétés à rupture des aciers bainitiques faiblement alliés, trempés et revenus, forment encore une question ouverte. En particulier, les contributions respectives de la concentration de contraintes aux joints de grains et des populations de carbures ne sont pas encore claires et pourraient dépendre des caractéristiques fines de la microstructure. De ce fait, il est encore difficile de prédire la résistance à la rupture de toutes les zones d'un gros composant forgé.
Pour cette raison, une étude systématique a été lancée en 2019 dans le cadre de la thèse de Jean-Baptiste Delattre [Delattre 2023]. Elle a considéré quatre vitesses de refroidissement, donnant lieu à des produits variés de décomposition de l'austénite (dans la vaste famille des bainites), et cinq conditions de revenu englobant la pratique industrielle. Des différences marquées de résilience sont apparues d'une microstructure à l'autre (voir par exemple [Delattre Procedia]). Une fractographie détaillée des éprouvettes Charpy a montré que la rupture fragile par clivage s'amorce près des anciens joints de grains austénitiques. Dans ces régions particulières, les incompatibilités de déformation peuvent induire des concentrations de contraintes. De plus, la population de carbures n'y est pas totalement similaire à celle rencontrée à l'intérieur des anciens grains austénitiques.
L'amélioration des connaissances actuelles sur les paramètres microstructuraux les plus pertinents aidera à concevoir de meilleurs traitements thermiques. Elle aidera également à maintenir ces composants forgés en service le plus longtemps possible et à en concevoir de nouveaux, dans un contexte d'utilisation de plus en plus massive de l'énergie électrique liée à la réduction des émissions de gaz à effets de serre.
The relationships between microstructure and fracture properties of low alloy, quenched and tempered bainitic steels is still an open question. In particular, the respective contributions of stress concentration next to grain boundaries and of the various populations of carbides is not clear and might depend on detailed microstructural features. As a result, it is still difficult to predict the resistance of all parts of a given heavy component to brittle fracture.
For this reason, a systematic PhD study [Delattre 2023] was launched in 2019, including four different cooling rates (leading to a variety of austenite decomposition products, in the vast family of bainitic microstructures), and five tempering conditions encompassing representative industrial practice. Large differences in impact toughness were noticed between these different microstructures (see e.g. [Delattre Procedia]). Detailed fractography of Charpy specimens revealed that cleavage fracture initiated from close to the parent austenite grain boundaries (PAGBs). In these particular regions, strain incompatibilities may lead to stress concentrations. In addition, the population of carbides is not completely similar to the population found inside former austenite grains.
Improving our current knowledge about most relevant microstructural parameters would help in the design of better heat treatment schedules; it would also help in maintaining these heavy forged components in service as long as possible, and to design new ones, in the context of more and more massive use of electrical energy in order to reduce greenhouse gas emissions.
Encadrement
Directeur de thèse : Anne-Françoise GOURGUES - Centre des Matériaux
Co-directeur de thèse : Ludovic VINCENT - CEA
Co-encadrant : Bernard MARINI - CEA
Profil du 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) : Métallurgie, mécanique des matériaux. Une expérience dans le domaine de la rupture et/ou dans la modélisation par éléments finis serait appréciée.
Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une copie de la carte d'identité ou passeport
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour 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):
Metallurgy, mechanics of materials. Experience in the field of fracture and/or in finite element modeling would be appreciated.
Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicant'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
Résultats attendus
Amélioration des connaissances sur les mécanismes physiques à l'origine de l'amorçage du clivage dans cette famille d'aciers.
Amélioration de la méthodologie pour déterminer ces mécanismes. La nouvelle méthodologie sera applicable à d'autres situations (par exemple, le vieillissement thermique de ces mêmes composants afin d'allonger leur durée de vie en service). Elle sera donc utile à la communauté de la métallurgie mécanique.
Amélioration de l'approche locale de la rupture ; développement d'un modèle numérique capable de prédire les effets des paramètres de traitement thermique sur les propriétés finales à rupture. Le modèle proposé pourra être utilisé pour beaucoup d'autres familles d'aciers. Il bénéficiera donc également à la communauté de la métallurgie mécanique.
Pour le(la) doctorant(e) : solide formation en métallurgie mécanique, en expérimentation et en modélisation numérique. Ce type de profil est très recherché dans l'industrie, tant en expertise qu'en recherche-développement. Le (la) doctorant(e) sera également sensibilisé(e) à une problématique industrielle à fort enjeu technologique.
Improved knowledge about the physical mechanisms at the origin of cleavage crack initiation in this steel family.
Improved methodology to determine these mechanisms. It will be applicable to other situations (e.g., thermal ageing of similar components during service, in order to extent their lifetime), so that it will benefit to the mechanical metallurgy community.
Improved local approach to fracture, development of a numerical model able to predict the effects of the heat treatment schedule on final fracture properties. The proposed model may be of use for many other steel families, so that it will also benefit to the mechanical metallurgy community.
Regarding the PhD student: sound training and significant professional experience in mechanical metallurgy, both experimental and numerical modelling. This combination of skills is highly searched for in industry including, but not limited to, nuclear power generation, hydrogen transportation and storage, and other industries involved in the energy transition. The PhD student will become familiar to an industrial issue of high technological importance.
Objectifs
L'étude portera sur les rôles respectifs de la microtexture (distribution spatiale des orientations cristallines) et des différentes populations de carbures (en particulier, aux anciens joints de grains austénitiques), sur le processus d'amorçage de la rupture par clivage à basse température. Les effets du type d'essai (ténacité ou résilience) et des conditions de traitement de trempe et de revenu seront approfondis.
L'approche locale de la rupture vise à prédire la probabilité de rupture à partir des connaissances sur le mécanisme de rupture, de données microstructurales quantitatives et d'une analyse minutieuse des essais à rupture (essentiellement sur éprouvettes entaillées). A partir de cette base expérimentale complétée, un modèle d'approche locale [Forget et coll. 2016] sera adapté aux mécanismes de rupture mis en évidence. Ce modèle est issu de celui de Beremin [Beremin 1983]. Il associe une analyse mécanique par éléments finis, une distribution probabiliste des défauts à l'origine du clivage et une analyse par plasticité cristalline en champs complets d'agrégats polycristallins représentatifs des microstructures bainitiques réelles [Forget et coll. 2016]. Un des objectifs de ce projet de recherche est de revisiter ce modèle, à partir de la base expérimentale à jour, en y intégrant les phénomènes physiques les plus pertinents et les caractéristiques microstructurales (quantitatives) associées.
The study will focus on the respective roles of the microtexture (i.e., of the spatial distribution of crystal orientations) and of various carbide populations (especially at PAGBs) on the low temperature cleavage fracture initiation process. The effects of the fracture test (fracture toughness vs. impact toughness) and of the quenching + tempering treatment conditions on the cleavage crack initiation mechanism will be further investigated.
The local approach to fracture aims at predicting the fracture probability from the knowledge of the cracking mechanism, quantitative microstructural data, and from a careful mechanical analysis of fracture tests (mainly, on notched specimens). Based on this updated data base, a local approach model [Forget et al. 2016] will be adapted to the revealed fracture initiation mechanisms. This model was derived from the Beremin model [Beremin 1983]. It combines a stress-strain field analysis by finite element simulations, together with a probabilistic distribution of cleavage initiation defects and with a full field crystal plasticity analysis of stress concentrations in polycrystalline aggregates that mimic actual bainitic microstructures [Forget et al. 2016]. One of the objectives of the PhD project is to revisit this model, starting from the updated experimental database, by integrating the most relevant physical phenomena and the corresponding (quantitative) microstructural features.
Références
P. Forget, B. Marini, and 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 2:1660-1667, 2016. doi :10.1016/j.prostr.2016.06.210
F.M. Beremin. A local criterion for cleavage fracture of a nuclear pressure vessel steel. Metall. Trans. 14A:2277-2287, 1983.
J.B. Delattre, PhD in progress, to be defended in 2023.
J.B. Delattre, B. Marini, A.F. Gourgues-Lorenzon, “Impact of heat treatment on the impact toughness and brittle fracture initiation mechanism of a quenched and tempered nuclear Pressure Vessel Steel”, European Conference on Fracture 2022 (ECF23), 27 juin – 1er juillet 2022, Madère, Portugal, papier 309. Procedia Structural Integrity 42 (2022), pp. 886-894. doi:10.1016/j.prostr.2022.12.112