Effet de la présence d'inclusions d'oxyde sur la prévision de l'amorçage de la corrosion sous contrainte de l'alliage 600 en milieu REP

Résumé de la thèse en français

L'alliage base nickel 600 (A600), qui contient 16% massique de chrome, est sensible à la Corrosion Sous Contrainte (CSC) dans les conditions du milieu primaire des réacteurs à eau sous pression (REP). De précédentes études ont permis de développer un modèle de prévision de la CSC (le modèle ‘local') qui décrit la phénoménologie complète de la fissuration par une étape d'incubation (oxydation des joints de grains), d'amorçage (rupture des joints de grains oxydés) puis de propagation des fissures. Il se base sur des paramètres environnementaux (température, teneur en hydrogène dissous), matériaux (carbures de chrome intergranulaires) et mécaniques (écrouissage, contraintes). Les paramètres propres à l'état de surface industriel tels que la présence d'inclusions d'oxyde ne sont, en revanche, pas considérés. Dans un objectif d'évolution de ce modèle, les travaux de thèse se focalisent sur le comportement d'A600 modèles qui contiennent des inclusions d'oxyde de type Al2O3, MgAl2O4 et MgO en oxydation et en CSC en conditions représentatives du milieu primaire des REP. Ainsi, des caractérisations de la microstructure initiale ont été effectuées. Puis, le comportement en oxydation de ces matériaux a été établi avec une attention particulière qui a été apportée aux inclusions d'oxyde. Des cinétiques d'oxydation des joints de grains et de dégradation des inclusions d'oxyde ont été identifiées. Enfin, des essais de CSC ont été effectués sur des éprouvettes de type U-Bend et un critère d'amorçage de fissures de CSC pour des joints de grains qui interceptent des inclusions d'oxyde a été proposé.

Résumé de la thèse en anglais

Nickel base alloy 600 contains 16 wt% chromium. It is susceptible to Stress Corrosion Cracking (SCC) when exposed to primary water environment. A predictive model of SCC (the 'local' model) has been developed in the past. It describes the phenomenology of cracking through an incubation stage (oxidation of grain boundaries), initiation (oxidized grain boundary failure) and then crack propagation. It is based on several parameters related to the environmental (temperature, dissolved hydrogen content), the microstructure (intergranular chromium carbides) and the mechanical state (work hardening, stress). However, the variables specific to industrial surface conditions such as the presence of oxide inclusions are not considered. This work focuses on the evolution of this model by studying the oxidation and SCC behaviors of models A600 that contain oxide inclusions of type Al2O3, MgAl2O4 and MgO and exposed to simulated primary water environment. Thus, characterizations of the initial microstructure were performed. Then, the oxidation behavior of these materials was established with a particular focus on the oxide inclusions. Grain boundary oxidation kinetics as well as oxide inclusion corrosion kinetics were identified. Finally, SCC tests have been performed on U-Bend type specimens and a SCC cracking criterion for grain boundaries that intercept oxide inclusions has been discussed.

Date de soutenance : mercredi 6 avril 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines ParisTech – Université PSL 60 Bd Saint-Michel 75272 Paris – V106A
Directeur de thèse : Cécilie DUHAMEL
Codirecteur : Vincent GUIPONT
Co-encadrant : Guillaume KERMOUCHE

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Détection et simulation des modes d'instabilités viscoplastiques dans les disques de turbines

Résumé de la thèse en français

Lors du développement de turbomachines aéronautiques, les motoristes doivent prouver par certification l'intégrité des pièces tournantes. Ainsi, la réglementation impose que la vitesse d?éclatement du disque de turbine soit supérieure d?au moins 20% à sa vitesse d?utilisation. L'objectif général de la thèse vise donc à prédire plus justement la vitesse d?éclatement d?un disque de turbine en Inconel718, un super-alliage à base de nickel. La première étape nécessite de connaître en amont avec précision la réponse du matériau lors de plusieurs types de chargements thermomécaniques et s?inscrit donc dans une réflexion globale d?optimisation de la géométrie du disque, de la réduction de marges de dimensionnement et de la réduction de coûts de fabrication. Plusieurs géométries d?éprouvettes sollicitées en traction uniaxiale et en traction biaxiale ont été développées et testées à deux températures, 20°C et 500°C pour représenter tous les états de sollicitation locaux rencontrés par le disque au cours de son utilisation. Une technique par marquage laser, ayant fait l?objet d?un dépôt de brevet, a été mise au point pour visualiser le champ de déplacement global et local en permettant une meilleure tenue du motif et une plus grande résolution. Une loi de comportement viscoplastique isotrope a pu être finement établie par une méthode inverse en prenant en compte les essais mécaniques obtenus sur l?ensemble des géométries. Parmi plusieurs critères de plasticité, celui d?Hosford a été adopté auquel a été ajouté le modèle de McCormick pour tenir compte des instabilités de type Portevin-Le Chatelier apparaissant à haute température. De plus, la prise en compte de la rigidité machine dans la modélisation permet une meilleure concordance avec les résultats expérimentaux et réduit notablement les temps de calculs. Un critère de rupture local, multiaxial et découplé du modèle de comportement a été construit. Celui-ci, purement phénoménologique, repose sur la contrainte équivalente d?Hosford et le paramètre de Lode en vitesse de déformation plastique et a la particularité de rendre compte d?états de sollicitation en bi-traction. Une surface de rupture à température ambiante a été obtenue permettant la prédiction de vitesses d?éclatement supérieures à celles obtenues classiquement par une approche globale. A haute température, l?effet PLC engendre une redistribution du champ d?endommagement au passage d?une bande retardant l?apparition d?une bande de localisation fatale au matériau. La surface de rupture à haute température s?avère identique à celle obtenue à température ambiante. Enfin l?ensemble de ces résultats conduit à une préconisation de protocole d?identification du critère de rupture applicable dans le milieu industriel. Ce travail pourrait ainsi contribuer à affiner, voire à optimiser, les paramètres géométriques du disque en fonction de critères souhaités tels que l?endroit de rupture et/ou la vitesse admissible d?éclatement tout en ayant une meilleure maîtrise des marges de dimensionnement et des coûts de développement.

Résumé de la thèse en anglais

When developing aeronautical turbomachinery, engine manufacturers must prove the integrity of rotating parts by certification. The regulations require that the bursting speed of the turbine disk be at least 20% higher than its operating speed. The general objective of this thesis is to predict more accurately the bursting speed of a turbine disk made of Inconel718, a nickel-based superalloy. The first step requires precise knowledge of the material?s response to several types of thermomechanical loading and is, therefore, part of a global reflection on the optimization of the geometry of the disc, the reduction of the dimensioning margins, and the reduction of the manufacturing costs. Several geometries of specimens stressed in uniaxial and biaxial tension were developed and tested at both room and high temperatures (20°C and 500°C respectively) to represent all the local solicitation states encountered by the disc in service conditions. A patent-pending laser marking technique was developed to visualize the global and local displacement fields allowing for better pattern resistance and higher resolution. An isotropic viscoplastic behavior law could be finely established by an inverse method taking into account the mechanical tests obtained on all the geometries. Among several plasticity criteria, Hosford's criterion was adopted to which was added McCormick's model to take into account the Portevin-Le Chatelier instabilities appearing at high temperature. Moreover, the incorporation of the testing machine stiffness in the model allows for a better consistency with the experimental results and significantly reduces the calculation time. A fracture criterion has been established. It is local, multiaxial, and decoupled from the behavior model. This purely phenomenological criterion is based on the Hosford triaxiality and the Lode parameter in plastic strain rate and has the particularity to account for biaxial stress states. A fracture surface at room temperature has been obtained allowing for the prediction of bursting speeds higher than those conventionally obtained by a global approach. At high temperatures, the PLC effect generates a redistribution of the damage field at the passing of a band delaying the appearance of a localization band lethal to the material. The fracture surface at high temperature is identical to that obtained at room temperature. Finally, all these results lead to a recommendation of a protocol for the identification of the rupture criterion applicable in the industrial field. This work could thus contribute to refining, even to optimizing, the geometrical parameters of the disc according to desired criteria such as the location of rupture and/or the admissible speed of bursting while having better control of the margins of dimensioning and the development costs.

Date de soutenance : mercredi 23 mars 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : 60 Boulevard Saint-Michel 75272 Paris 6 – V334
Directeur de thèse : Matthieu MAZIERE
Codirecteur : Samuel FOREST
Co-encadrant : Jacques BESSON

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Détection et simulation des modes d'instabilités viscoplastiques dans les disques de turbines

Résumé de la thèse en français

Lors du développement de turbomachines aéronautiques, les motoristes doivent prouver par certification l'intégrité des pièces tournantes. Ainsi, la réglementation impose que la vitesse d?éclatement du disque de turbine soit supérieure d?au moins 20% à sa vitesse d?utilisation. L'objectif général de la thèse vise donc à prédire plus justement la vitesse d?éclatement d?un disque de turbine en Inconel718, un super-alliage à base de nickel. La première étape nécessite de connaître en amont avec précision la réponse du matériau lors de plusieurs types de chargements thermomécaniques et s?inscrit donc dans une réflexion globale d?optimisation de la géométrie du disque, de la réduction de marges de dimensionnement et de la réduction de coûts de fabrication. Plusieurs géométries d?éprouvettes sollicitées en traction uniaxiale et en traction biaxiale ont été développées et testées à deux températures, 20°C et 500°C pour représenter tous les états de sollicitation locaux rencontrés par le disque au cours de son utilisation. Une technique par marquage laser, ayant fait l?objet d?un dépôt de brevet, a été mise au point pour visualiser le champ de déplacement global et local en permettant une meilleure tenue du motif et une plus grande résolution. Une loi de comportement viscoplastique isotrope a pu être finement établie par une méthode inverse en prenant en compte les essais mécaniques obtenus sur l?ensemble des géométries. Parmi plusieurs critères de plasticité, celui d?Hosford a été adopté auquel a été ajouté le modèle de McCormick pour tenir compte des instabilités de type Portevin-Le Chatelier apparaissant à haute température. De plus, la prise en compte de la rigidité machine dans la modélisation permet une meilleure concordance avec les résultats expérimentaux et réduit notablement les temps de calculs. Un critère de rupture local, multiaxial et découplé du modèle de comportement a été construit. Celui-ci, purement phénoménologique, repose sur la contrainte équivalente d?Hosford et le paramètre de Lode en vitesse de déformation plastique et a la particularité de rendre compte d?états de sollicitation en bi-traction. Une surface de rupture à température ambiante a été obtenue permettant la prédiction de vitesses d?éclatement supérieures à celles obtenues classiquement par une approche globale. A haute température, l?effet PLC engendre une redistribution du champ d?endommagement au passage d?une bande retardant l?apparition d?une bande de localisation fatale au matériau. La surface de rupture à haute température s?avère identique à celle obtenue à température ambiante. Enfin l?ensemble de ces résultats conduit à une préconisation de protocole d?identification du critère de rupture applicable dans le milieu industriel. Ce travail pourrait ainsi contribuer à affiner, voire à optimiser, les paramètres géométriques du disque en fonction de critères souhaités tels que l?endroit de rupture et/ou la vitesse admissible d?éclatement tout en ayant une meilleure maîtrise des marges de dimensionnement et des coûts de développement.

Résumé de la thèse en anglais

When developing aeronautical turbomachinery, engine manufacturers must prove the integrity of rotating parts by certification. The regulations require that the bursting speed of the turbine disk be at least 20% higher than its operating speed. The general objective of this thesis is to predict more accurately the bursting speed of a turbine disk made of Inconel718, a nickel-based superalloy. The first step requires precise knowledge of the material?s response to several types of thermomechanical loading and is, therefore, part of a global reflection on the optimization of the geometry of the disc, the reduction of the dimensioning margins, and the reduction of the manufacturing costs. Several geometries of specimens stressed in uniaxial and biaxial tension were developed and tested at both room and high temperatures (20°C and 500°C respectively) to represent all the local solicitation states encountered by the disc in service conditions. A patent-pending laser marking technique was developed to visualize the global and local displacement fields allowing for better pattern resistance and higher resolution. An isotropic viscoplastic behavior law could be finely established by an inverse method taking into account the mechanical tests obtained on all the geometries. Among several plasticity criteria, Hosford's criterion was adopted to which was added McCormick's model to take into account the Portevin-Le Chatelier instabilities appearing at high temperature. Moreover, the incorporation of the testing machine stiffness in the model allows for a better consistency with the experimental results and significantly reduces the calculation time. A fracture criterion has been established. It is local, multiaxial, and decoupled from the behavior model. This purely phenomenological criterion is based on the Hosford triaxiality and the Lode parameter in plastic strain rate and has the particularity to account for biaxial stress states. A fracture surface at room temperature has been obtained allowing for the prediction of bursting speeds higher than those conventionally obtained by a global approach. At high temperatures, the PLC effect generates a redistribution of the damage field at the passing of a band delaying the appearance of a localization band lethal to the material. The fracture surface at high temperature is identical to that obtained at room temperature. Finally, all these results lead to a recommendation of a protocol for the identification of the rupture criterion applicable in the industrial field. This work could thus contribute to refining, even to optimizing, the geometrical parameters of the disc according to desired criteria such as the location of rupture and/or the admissible speed of bursting while having better control of the margins of dimensioning and the development costs.

Date de soutenance : mercredi 23 mars 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : 60 Boulevard Saint-Michel 75272 Paris 6 – V334
Directeur de thèse : Matthieu MAZIERE
Codirecteur : Samuel FOREST
Co-encadrant : Jacques BESSON

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MINES Paris célèbre la Journée internationale des femmes et des filles de science. Voici une galerie de portraits de femmes scientifiques ayant fait l'actualité récente de notre école. Témoignage de l'excellence de la recherche au féminin.

Chercheuses confirmées, doctorantes, élèves ou alumni, elles font la fierté de notre école. Florilège

Coraline Chartier et Sacha El Aouad, doctorantes (Cemef), respectivement 3e Prix et finaliste de la 5e édition du Prix Pierre Laffitte.	Rabab Akkouche, doctorante (CMA) en demi-finale nationale de «Ma thèse en 180 secondes».
Emilie Forestier (Cemef), Prix de thèse du  Groupe français d'études et d'application des polymères (GFP) 2021.	Joëlle Najib, doctorante (CES), Prix du meilleur poster à la Conférence sur l'intégration, la modélisation et l'optimisation des processus pour les économies d'énergie et la réduction de la pollution, PRES'21.
Barbara Lefranc, Mastère spécialisé AI Move, (P20) Prix coup de cœur du public au DAAD Science Slam Paris 2021.	Sophie Peccoux, ingénieure civile (P16), créatrice de DereChef, Prix du start-up week-end Grandes écoles au féminin.
Camille Delamar, ingénieure civile (P08), co-fondatrice et DG de la société Ecotable, Prix Entrepreneuriat Mines Paris – PSL – Transvalor – Raoul Cherreton, dans la catégorie « Emergence jeune entreprise ».	Caroline Jobin, doctorante, et Sophie Hooge, enseignante-chercheuse, (CGS), Prix de la meilleure communication du congrès national d'ARAMOS.
Chloé-Agathe Azencott, enseignante-chercheuse (CBIO) lauréate du Prix de la jeune ingénieure en IA (Intelligence artificielle).	Sophie Guillon, enseignante-chercheuse (Géosciences) a soutenu son Habilitation à diriger des recherches (HDR), le 7 janvier 2021.
Eléonore Crespo, ingénieure civile (P10), co-fondatrice et DG de Pigment, start-up française, qui vient d'intégrer le French Tech 120.	Paula Pérez-López et Mélanie Douziech, chercheuses (O.I.E) nous aident à mieux comprendre les impacts environnementaux des systèmes éoliens en mer.
Christine Franke, enseignante-chercheuse (Géosciences) pilote du projet EcorcAir à Mines Paris – PSL,  mesure la quantité de particules fines emmagasinée par les platanes.	Corinne Cuisinier, ingénieure civile (P80), coordonne le groupe de travail "Féminisation", lancé par la Fondation Mines ParisTech.

Women who make science happen

Mines Paris – PSL, membre du groupement européen EELISA, célèbre ja Journée internationale des femmes de science, le 11 févier 2022.

Table-ronde, en anglais, organisée par le groupement européen EELISA (European Engineering Learning Innovation and Science Alliance) à l'occasion de la Journée internationale des femmes et des filles de science.

Réalité, opprotunités rencontrées, et défis relevés par les femmes scientifiques des institutions membres d'EELISA.

> Rencontre en ligne, de 11h30 à 13h30

• Inscriptions

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Approche multiéchelles du comportement mécanique de revêtements Zn-Al-Mg de tôles d'acier galvanisées au trempé

Résumé de la thèse en français

Le programme de recherche de la thèse vise à déterminer les propriétés mécaniques des revêtements Zn-Al/Zn-Al-Mg déposés sur des tôles d'acier par galvanisation à chaud en tenant compte des différentes microstructures de solidification. La stratégie de recherche est développée selon 5 axes: sélection des matériaux, techniques de caractérisation avancées, définition des propriétés mécaniques macroscopiques des revêtements, identification des mécanismes de déformation et d'endommagement intergranulaire et intragranulaire et modélisation réaliste de la microstructure. Le projet de thèse vise à appliquer des techniques avancées de caractérisation et de modélisation pour une meilleure compréhension des propriétés mécaniques des revêtements selon les axes précédents. L'objectif est de tirer de ces observations de nouvelles directives pour optimiser la microstructure. Deux types de revêtements de compositions différentes en zinc, aluminium et magnésium sont sélectionnés pour réaliser l'étude complète. Ces revêtements présentent des microstructures multiphases complexes. Des essais de traction sont effectués sur les deux revêtements afin d'identifier leurs modes de déformation et d'endommagement respectifs à l'échelle macroscopique/mésoscopique (densité et taille des fissures) et à l'échelle microscopique (analyse MEB). Les techniques expérimentales sont les suivantes: polissage ionique des surfaces et analyse des textures morphologiques et cristallographiques au moyen de l'EBSD, analyse MEB de la surface et des sections transversales des revêtements pour l'identification des modes de déformation et d'endommagement (maclage, fissuration intergranulaire, plans de clivage), caractérisation MEB-FIB (3D Slice&View) de la morphologie et de la distribution des phases et des défauts et observation des sections transversales pour relier les observations de surface et les endommagements sous-jacents jusqu'à l'interface acier/revêtement. La déformation non homogène de la surface des échantillons de traction revêtus est quantifiée au moyen de méthodes de corrélation d'images fournissant le champ de déformation bidimensionnel et la distribution des fissures sur des surfaces représentatives. Des échantillons entaillés sont utilisés pour concentrer les zones endommagées. Le programme de travail comprend: (i) les mesures du champ de déformation (DIC), (ii) la caractérisation des réseaux de fissures en fonction du niveau de déformation global et (iii) la description de la distribution finale des fissures. La microscopie à haute résolution, ainsi que le MEB, sont utilisés pour caractériser les modes de déformation et d'endommagement des phases individuelles à l'intérieur des grains. Des essais de traction in-situ sont réalisés afin d'extraire la chronologie des événements de déformation et d'endommagement. Des simulations par éléments finis sont effectuées tout au long de l'étude, soit pour préparer les essais, soit pour les interpréter, et la microstructure réelle des revêtements est simulée tout en utilisant un modèle de plasticité cristalline. Cela permet de prédire le début de la plasticité/maclage et de l'endommagement.

Résumé de la thèse en anglais

The research program of the PhD aims at determining the formability and the mechanical properties of Zn-Al/Zn-Al-Mg coatings deposited on steel sheets by hot-dip galvanizing, with respect to their different solidification microstructures. The research strategy is developed along 5 axes: material selection, advanced characterization techniques, definition of the macroscopic mechanical properties of the coatings, identification of deformation and intergranular/intragranular damage mechanisms and realistic modeling of the microstructure. The PhD project aims to apply advanced characterization and modeling techniques for a better understanding of the mechanical properties of the coatings along the previous lines. The objective is to draw from these observations new guidelines to optimize the microstructure. Two types of coatings with different compositions in zinc, aluminum and magnesium are selected to perform the full study. These coatings exhibit complex multiphase microstructures. Tensile tests are performed on both coatings in order to identify their respective deformation and damage modes at the macroscopic/mesoscopic scale (crack density and size) and at the microscopic scale (SEM analysis). The experimental techniques are the following: ion polishing of surfaces and analysis of morphological and crystallographic textures by means of EBSD, SEM analysis of surface and cross-sections of the coating for the identification of deformation and damage modes (twinning, intergranular fracture, cleavage), Slice&View SEM-FIB characterization of the morphology and distribution of phases and defects and observation of cross-sections to connect surface observations to the underlying damage up to steel/coating interface. Non-homogeneous deformation of the surface of coated tensile specimens is quantified by means of digital image correlation methods providing the two-dimensional strain field and the distribution of cracks on representative surfaces. Notched samples are used to concentrate the damage zones. The work-schedule contains: (i) strain field measurements (DIC), (ii) characterization of the crack networks depending on the global strain level, and (iii) the description of the final crack distribution. High resolution microscopy, together with SEM, are used to characterize the deformation and damage modes of the individual phases inside the grains. In-situ tensile tests are performed in order to extract the chronology of deformation and damage events. Finite element simulations are achieved all along the study either for preparation of the tests or for their interpretation and real microstructure is simulated using a crystal plasticity material model. This allows to predict the initiation of plasticity/twinning and damage.

Titre anglais : Multiscale approach of the mechanical behaviour of hot-dip Zn-Al-Mg coatings on a steel sheet
Date de soutenance : mardi 8 février 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines ParisTech – Université PSL 60 Bd Saint-Michel 75272 Paris – L109
Directeur de thèse : Vincent MAUREL
Co-encadrant : Kais AMMAR

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Vice-président de la recherche et formation graduée, Hubert Bost présente la nouvelle offre de formation PSL comprenant 39 masters sélectifs et pluridisciplinaires et la création de programmes gradués sur le modèle international des "graduate schools".

Retrouvez en particulier l'offre de formation portée par MINES ParisTech, Chimie ParisTech et l’ESPCI Paris, le Master Sciences et Génie des Matériaux.

Evolution de la microstructure avec les paramètres de soudage et conséquences sur le comportement mécanique du métal fondu de joints soudés multipasses en acier à haute limite d'élasticité

Résumé de la thèse en français

Les aciers à haute limite d'élasticité sont très utilisés comme matériau de pièces de structure pour leur bonne combinaison entre résistance en traction et tenue au choc. Les composants en acier à haute limite d'élasticité peuvent être assemblés par soudage à l'électrode enrobée ; le métal fondu du joint soudé doit posséder des caractéristiques mécaniques aussi performantes que celles du métal de base. Afin d'optimiser les caractéristiques mécaniques des joints soudés, deux paramètres principaux sont impactants : la composition chimique du métal d'apport et les paramètres utilisés lors du procédé de soudage. Les travaux de thèse visent à mieux comprendre la genèse de la microstructure et ses conséquences sur le comportement mécanique du métal déposé, dans des joints soudés multipasses en acier à haute limite d'élasticité. Dans un premier temps, le lien entre l'historique thermique complexe des joints multipasses et les caractéristiques macrostructurales et microstructurales a été caractérisé en détail. Pour cela, des modèles thermiques du soudage (simulation numérique et modèle analytique de Rosenthal) ont permis d'estimer les cycles thermiques locaux issus des passes de soudage, qui réchauffent, voire ré-austénitisent les passes précédentes. La comparaison de ces cycles locaux avec les macrostructures de joints a mis en évidence une typologie d'historiques thermiques et de zones correspondantes dans les joints. Des campagnes d'essais dilatométriques et de traitements thermiques sur machine Gleeble ont permis d'évaluer l'influence des cycles thermiques locaux sur la microstructure. Des cycles simplifiés ont montré l'influence de la température de pic et de la vitesse de refroidissement. Les résultats ont été confirmés pour des formes de cycle plus proches des cycles réels, simulant différentes énergies de soudage et températures de préchauffage, pour différentes compositions chimiques du produit d'apport. Un effet mémoire des grains austénitiques parents, même après austénitisation complète, a été démontré. L'austénite résiduelle, présente à l'état brut de dépôt, est à l'origine de cet effet mémoire. Ce dernier permet, entre autres, de comprendre l'alternance des zones colonnaires et équiaxes visibles sur une macrographie ainsi que de mettre en évidence l'historique thermique particulier de certains zones spécifiques des joints. L'application de ces résultats à des assemblages soudés a révélé l'effet important de l'énergie de soudage et de la composition chimique du produit d'apport sur le comportement en traction et le comportement en rupture. Comme la microstructure est à l'origine de ces variations de caractéristiques mécaniques, plusieurs microstructures modèles ont été sélectionnées afin d'isoler, autant que possible, la contribution des différents constituants aux propriétés mécaniques. Des cycles thermiques à paliers isothermes et à refroidissement continu ont été appliqués afin de former ces microstructures modèles. Leur comportement en traction et en résilience ont fourni des pistes d'amélioration des propriétés à rupture des assemblages soudés réels. Cette étude apporte une meilleure compréhension de ces microstructures complexes et de leur impact sur le comportement mécanique des joints multipasses. En plus de mieux cerner les nombreux effets des paramètres de soudage sur l'historique thermique et les macrostructures, elle fournit également des outils d'aide à l'expertise utiles industriellement.

Résumé de la thèse en anglais

High strength steels are widely used for structural parts because of their good combination of tensile strength and impact toughness. Components made of high strength steel can be joined by coated electrode welding; the weld metal must have the same mechanical properties as the base metal. Optimisation of the mechanical properties of the welded joints mainly relies on two parameters: the chemical composition of the filler metal and the welding parameters. This research work aims at better understanding of the genesis of the microstructure and of its consequences on the mechanical behaviour of the deposited metal, in multipass welded joints made of high strength steel. In a first step, the link between the complex thermal history of multipass welds and the macro- and microstructural characteristics was characterised in detail. For this purpose, thermal models of welding (numerical simulation and Rosenthal analytical model) were used to estimate the local thermal cycles resulting from the welding passes, which reheat or even re-austenitise the previous ones. The comparison of these local cycles with the macrostructures of the joints revealed a typology of thermal histories and of corresponding regions in the macrographs. Dilatometric tests and heat treatments on a Gleeble machine were used to evaluate the influence of local thermal cycles on the microstructure. Simplified cycles showed the influence of peak temperature and cooling rate. The results were confirmed for heat cycle closer to real ones, simulating different heat input and preheating temperatures, for different chemical compositions of the filler material. A memory effect of the parent austenite grains, even after complete austenitisation, was demonstrated. Retained austenite, present in the as-welded microstructure, is at the origin of this memory effect. The latter allows, among other things, to understand the alternation of columnar and equiaxed zones visible on a macrograph as well as to highlight the particular thermal history of certain specific zones of the joints. The application of these results to welded joints revealed the significant effect of the heat input and of the chemical composition of the filler material on the tensile and fracture behaviour. As the microstructure is the source of these variations in mechanical properties, several model microstructures were selected in order to isolate, as far as possible, the contribution of the different constituents to the mechanical properties. Isothermal and continuous cooling thermal cycles were applied to create these model microstructures. Their tensile and impact behaviour provided insights into the improvement of the fracture properties of real welded joints.

Titre anglais : Microstructural evolution with welding parameters and consequences on the mechanical behaviour of the weld metal of multipass high-strength steel welds
Date de soutenance : mercredi 2 février 2022 à 10h00
Adresse de soutenance : MINES Paristech, 60 Bd Saint-Michel, 75272 Paris – L109
Directeur de thèse : Anne-Françoise GOURGUES

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Effet des traitements thermomécaniques sur la microstructure d'un alliage de titane Ti2AlNb

Résumé de la thèse en français

Grâce à leurs bonnes propriétés mécaniques jusqu'à 650 °C et une faible densité, les alliages de composition générique Ti2AlNb sont de bons candidats pour certaines applications aéronautiques. La mise en œuvre de ces alliages, depuis leur élaboration jusqu'à l'obtention, grâce aux traitements thermomécaniques, de la microstructure la mieux adaptée aux applications envisagées, nécessite cependant d'être optimisée avant qu'ils ne puissent être industrialisés. Cette étude a permis d'étudier les mécanismes de restauration et de recristallisation qui gouvernent l'évolution microstructurale d'un alliage Ti2AlNb pendant et après la déformation plastique relative au corroyage dans l'intervalle de température entre 1010 et 1204 °C afin de mieux maîtriser sa mise en forme à haute température. Plusieurs procédés de déformation plastique opérant dans les domaines de température, de vitesse de déformation et de déformation comparables à ceux dans lesquels sont classiquement réalisés les corroyages et la mise en forme industrielle ont été mis en œuvre. L'évolution dynamique de la microstructure a été analysée sur la base d'essais de compression et de torsion suivis par une trempe ; des essais de filage ont permis d'engendrer une première étape de recristallisation post-dynamique de l'alliage. Enfin, des traitements thermiques isothermes post-déformation ont permis d'étudier la recristallisation statique de l'alliage déformé. En caractérisant les microstructures par microscopie optique et par diffraction des électrons retrodiffusés (EBSD) en microscope électronique à balayage, l'effet des paramètres de déformation à haute température sur l'évolution microstructurale a été étudié. La recristallisation dynamique continue conduit à la formation d'une faible fraction volumique de grains recristallisés au voisinage des joints de grains. Une partie de ces grains feront office de germes pour la recristallisation post-dynamique ou pour la recristallisation statique. Les traitements thermiques isothermes post-déformation ont permis d'étudier la cinétique de la recristallisation statique et d'étudier les effets de la taille de grain avant déformation, de la température, et de la vitesse de déformation sur cette cinétique.

Résumé de la thèse en anglais

Due to their excellent properties, especially, high temperature mechanical strength and low density, Ti2AlNb-based alloys are considered as promising materials for rotating parts in aircraft engines. Such properties are obtained through appropriate thermomechanical treatment which should result in optimal microstructure for a specific application. Different stages of thermomechanical treatments of Ti2AlNb alloys are still required to be optimized to guarantee the best alloys performance. Therefore, the understanding of microstructure evolution of Ti2AlNb alloys during high temperature processing is of particular industrial interest.The aim of the present work was to investigate the microstructure changes in a Ti2AlNb alloy induced by high temperature plastic deformation in the temperature range of 1010-1204 °C, in order to further optimize high temperature alloy processing. The dynamic evolution of the microstructure was analysed through compression and torsion tests followed by quenching, and hot extrusion tests were used to generate a first stage of post-dynamic recrystallization of the alloy. Finally, post-deformation isothermal heat treatments were used to study the static recrystallization phenomenon. The microstructure was characterized by means of optical microscopy and electron backscatter diffraction (EBSD) in scanning electron microscope. The effect of high-temperature deformation parameters on the microstructure evolution was studied. It is revealed that continuous dynamic recrystallization leads to the formation of a low volume fraction of recrystallized grains in the area close to the initial grain boundaries. Some of these grains will further become nuclei for post-dynamic or static recrystallization. Post-deformation isothermal heat treatments allowed to study the kinetics of static recrystallization and to investigate the effect of initial grain size, temperature and strain rate.

Titre anglais : Effect of thermomechanical treatments on microstructure of Ti2AlNb alloy
Date de soutenance : jeudi 20 janvier 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines ParisTech – Université PSL, 60 Bd Saint-Michel, 75272 Paris – L109
Directeur de thèse : Vincent MAUREL
Co-encadrant : Loïc NAZE
Co-encadrant : Vladimir ESIN

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Prédiction des effets de taille et régularisation de la formation de bandes de cisaillement adiabatiques dans les monocristaux et les polycristaux: Approche de plasticité cristalline à gradient

Résumé de la thèse en français

Les modèles classiques de plasticité cristalline ne parviennent pas à capturer les effets de taille observés expérimentalement, à savoir, plus la taille est petite, plus la force est grande. Les modèles classiques de plasticité cristalline montrent également une dépendance de maille fausse dans les problèmes de localisation de déformation en raison de l'absence d'une échelle de longueur caractéristique dans le cadre constitutif. Les modèles de plasticité de cristalline de gradient de déformation peuvent surmonter les limites susmentionnées des modèles de plasticité de cristalline classiques. Cependant, la mise en œuvre du modèle de plasticité de gradient de déformation dans le logiciel commercial des techniciens de maintenance est difficile en raison du cadre constitutif complexe. Dans le présent travail, les modèles de plasticité des cristalline de gradient de déformation, spécifiquement la plasticité des cristalline micromorphiques d'ordre réduit et les modèles basés sur le multiplicateur de Lagrange, sont utilisés pour prédire l'effet de taille dans des tests de torsion de microfils monocristallins. Une comparaison est effectuée entre l'effet de taille prévu en utilisant le modèle basé sur le multiplicateur de Lagrange et celui fait par le modèle CurlFp de la littérature, qui est basé sur le tenseur de densité de dislocation complet. De plus, la localisation des déformations due à l'élévation de la température est étudiée. Une formulation thermodynamique cohérente des équations constitutives est proposée pour le modèle de plasticité cristalline classique et micromorphique. Ce cadre thermodynamique cohérent est appliqué pour étudier le processus de formation de bandes de cisaillement adiabatique dans des matériaux métalliques CFC monocristallins et poly-cristallins. Cinq orientations cristallines différentes d'un seul spécimen en forme de chapeau sont considérées pour étudier la formation, l'intensité et l'orientation des bandes de cisaillement. La formation de bandes de cisaillement adiabatiques et l'effet granulométrique sont étudiés dans des agrégats polycristallins en forme de chapeau. Il est également essentiel de prévoir l'énergie emmagasinée pour comprendre la déformation plastique et les mécanismes de récupération et de recristallisation qui en découlent. Des modèles thermodynamiques de plasticité des cristalline classiques et micromorphiques sont utilisés pour prédire l'énergie emmagasinée dans des matériaux métalliques CFC monocristallins et polycristallins. À cette fin, nous proposons un moyen facile de mettre en œuvre le modèle de plasticité micromorphique dans le logiciel commercial FE en utilisant l'analogie entre la thermomécanique classique et la théorie de la plasticité micromorphique. Dans ce travail, il est démontré que, dans les processus cycliques de déformation plastique non uniforme, le gradient de la variable interne à valeur scalaire dans le modèle à ordre réduit prédit un durcissement isotropique, contrairement au durcissement cinématique produit par le modèle CurlFp en raison d'une dislocation-composant induit de stress dorsal. L'étude de la formation de bandes de cisaillement adiabatiques dans des cristaux isolés a montré qu'une orientation particulière du cristal est résistante à la formation de bandes de cisaillement. Dans les simulations polycristallines, les limites des grains constituent des obstacles à la formation de bandes de cisaillement. Les simulations dans des conditions isothermes prédisent un effet significatif sur la taille des grains. Dans l'étude de la prévision de l'énergie emmagasinée, un facteur ad-hoc est introduit dans l'expression de l'énergie emmagasinée et considéré comme un paramètre approprié pour représenter adéquatement l'énergie emmagasinée mesurée expérimentalement dans la littérature. Enfin, il est démontré que la théorie de la plasticité micromorphique pourrait être mise en œuvre dans un logiciel FE commercial d'une manière relativement simple et simple, avec seulement des modifications mineures dans leurs procédures.

Résumé de la thèse en anglais

Classical crystal plasticity models fail to capture experimentally observed size effects, namely, the smaller the size the greater the strength. Classical crystal plasticity models also show spurious mesh dependency in strain localization problems due to the lack of a characteristic length scale in the constitutive framework. Strain gradient crystal plasticity models can overcome above mentioned limitations of the classical crystal plasticity models. However, implementing the strain gradient plasticity model in commercial FE software is challenging due to the complex constitutive framework. In the present work, strain gradient crystal plasticity models, specifically reduced-order micromorphic crystal plasticity and Lagrange multiplier-based models, are used to predict the size effect in single crystals microwire torsion tests. A comparison is performed between the predicted size effect using the Lagrange multiplier-based model and that made by the CurlFp model from the literature, which is based on the complete dislocation density tensor. Moreover, strain localization due to temperature rise is investigated. A thermodynamically consistent formulation of the constitutive equations is proposed for the classical and micromorphic crystal plasticity model. This thermodynamically consistent framework is applied to investigate the adiabatic shear band (ASB) formation process in single and poly-crystalline FCC metallic materials. Five different crystal orientations of a single crystal hat-shaped specimen are considered to study the formation, intensity, and orientation of shear bands. The formation of ASB and the grain size effect are investigated in hat-shaped polycrystalline aggregates. Predicting the stored energy is also essential to understand the plastic deformation and subsequent recovery and recrystallization mechanisms. A thermodynamically consistent classical and micromorphic crystal plasticity models are used to predict the stored energy in single and poly-crystalline FCC metallic materials. To this end, we propose an easy way to implement the micromorphic plasticity model in commercial FE software using the analogy between classical thermo-mechanics and micromorphic plasticity theory. In this work, it is shown that, in cyclic non-uniform plastic deformation processes, the gradient of the scalar-valued internal variable in the reduced-order model predicts isotropic hardening in contrast to the kinematic hardening produced by the CurlFp model due to a dislocation-induced back-stress component. The investigation of the ASB formation in single crystals showed that one particular crystal orientation is resistant to shear banding. In polycrystalline simulations, the grain boundaries act as obstacles against shear band formation. A significant grain size effect is predicted by the simulations under isothermal conditions. In the study of stored energy prediction, an ad-hoc factor is introduced in the stored energy expression and considered a fitting parameter to adequately represent the experimentally measured stored energy from the literature. Finally, it is shown that the micromorphic plasticity theory could be implemented in a commercial FE software in a relatively easy and straightforward manner, with only minor modifications in their procedures.

Titre anglais : Prediction of size effects and regularization of adiabatic shear band formation in single and poly-crystals: Gradient crystal plasticity approach
Date de soutenance : mercredi 12 janvier 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines ParisTech 60 Bd Saint-Michel 75272 Paris – L109
Directeur de thèse : Samuel FOREST
Codirecteur : Arjen ROOS

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