Offre de Thèse : Effet de la pré-déformation sur la précipitation dans des alliages à base d’aluminium : étude expérimentale et modélisation.

    THÈSE CEMEF 2020 : Effet de la pré-déformation sur la précipitation dans des alliages à base d’aluminium : étude expérimentale et modélisation.

    Contexte

    La microstructure est à l’origine de toutes les propriétés des alliages métalliques (mécaniques, électriques, magnétiques, etc.). Lors des opérations de mise en forme et de traitements thermiques, différents paramètres sont contrôlés afin d’obtenir les caractéristiques microstructurales (nature des phases, taille, morphologie et distribution de précipités de ces phases, taille et morphologie de grains) optimales garantissant des durées de vie en service maximales. En contrôlant l’évolution de la microstructure, il est donc possible de contrôler les propriétés d’emploi. La compréhension et la modélisation des différents phénomènes mis en jeu lors des différentes étapes de mise en forme et de traitements thermiques sont donc fondamentales pour le développement et l’utilisation de nouveaux matériaux.
    Souvent les dernières étapes de traitements thermiques des alliages métalliques (par exemple, les alliages à base de nickel ou à base d’aluminium pour l’industrie aéronautique) sont réalisées dans des conditions isothermes. Les paramètres de ces traitements dans les conditions industrielles sont dictés, entre autres, par des facteurs économiques : l’optimum entre les propriétés finales et le coût des traitements est recherché. Les traitements par multi-paliers isothermes (maintien à haute température suivi par des maintiens étagés à plus basse température) est un moyen de renforcer la limite d’élasticité mais nécessitent des durées de traitements beaucoup trop longs du fait de la lenteur de la diffusion des éléments pour être utilisés dans des conditions industrielles [1].
    Récemment un traitement de durcissement des alliages d’aluminium a pu être réalisé à la température ambiante en utilisant des cycles de traction/compression [2]. La diffusion des espèces chimiques à cette basse température, pas favorable au transport de la matière, a été activée grâce à la création de lacunes générées par des cycles de traction/compression. De plus, la pré-déformation plastique en traction a clairement été identifiée comme facteur accélérant la précipitation de phases durcissantes dans le domaine de température ou la diffusion volumique est lente [3,4]. Néanmoins, les études systématiques pour quantifier un tel effet sur la distribution spatiale de précipités et son impact sur les propriétés mécaniques résultantes sont rares. La pré-déformation génère des sous-structures de dislocations et des lacunes en excès qui doivent être prises en compte pour la modélisation des évolutions microstructurales lors des traitements thermiques ultérieurs. De même, la présence de précipités affecte la formation de sous-structures de dislocations et affecte ainsi les mécanismes de restauration et de recristallisation.

    Objectifs

    Ce travail consistera à étudier l’effet de l’état déformé sur la précipitation et sur les propriétés mécaniques d’un alliage à base d’aluminium. Il s’agit dans un premier temps d’étudier l’influence de la pré-déformation sur des états préalablement vieillis mais sans avoir atteint l’équilibre thermodynamique. Les traitements thermiques post-déformation permettront alors de mettre en évidence l’effet de la plasticité induite lors de la pré-déformation sur la cinétique de la précipitation. Une étude de précipitation en fonction de la température et du temps, sans effet de pré-déformation sera également nécessaire comme référence.
    L’effet des précipités statiques sur la formation des sous-structures de dislocations sera également étudié ainsi que l’évolution de ces sous-structures lors des traitements thermiques postérieurs. Les données de cette nature sont rarement disponibles dans la littérature

    Démarche

    Pour atteindre les objectifs, le Centre des Matériaux (CdM) d’Evry (91) et le Centre de Mise en Forme des Matériaux (Cemef) de Sophia Antipolis (06), les deux laboratoires du département Mécanique des Matériaux de MINES ParisTech, vont apporter leurs expertises dans leurs domaines de compétences respectives. Le CdM sera porteur des analyses expérimentales fines de la précipitation en utilisant la calorimétrie différentielle à balayage (DSC), la diffraction des rayons X (DRX, y compris des expériences in situ au synchrotron) et la microscopie électronique en transmission (MET) ainsi que la modélisation de la cinétique de la précipitation en s’appuyant sur des outils de simulation thermocinétique Thermo-Calc et DICTRA. Le Cemef portera des analyses expérimentales de l’état déformé en utilisant la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD), l’imagerie par contraste de canalisation (ECCI), DRX et en faisant appel au MET disponible au CdM. Des outils numériques développés au Cemef seront utilisées pour analyser quantitativement l’effet des dislocations à travers l’étude de leurs densité mais également des sous-structures créées en fonction des conditions thermomécaniques appliquées afin d’évaluer la quantité d’énergie stockée. La modélisation finale de l’effet couplé et induit de la pré-déformation (et donc des sous-structures de dislocations) sur la précipitation et réciproquement celui des précipités sur les sous-structures de dislocations mobilisera les deux laboratoires.
    La démarche globale consiste tout d’abord à analyser la microstructure afin de quantifier des grandeurs affectées par le mécanisme étudié et modéliser ensuite ce mécanisme à travers l’évolution de ces grandeurs en fonction des conditions thermomécaniques.
    Pour chaque état, une attention particulière sera portée à la distribution de taille de précipités ainsi qu’aux sous-structures de dislocations analysées en MET et en MEB afin de pouvoir modéliser leurs évolutions respectives en fonction des conditions thermomécaniques utilisées. Pour l’état de référence (sans pré-déformation), la cinétique de précipitation sera modélisée en utilisant la méthode KWN (Kampmann-Wagner-Numerical). Les paramètres pour ce modèle (force motrice de précipitation, composition aux interfaces, mobilité des espèces chimiques) seront évalués en utilisant les bases de données thermodynamique et cinétique en utilisant des logiciels Thermo-Calc et DICTRA [5]. Le modèle sera calibré en utilisant les données expérimentales (cinétique de précipitation obtenue à l’aide de la DSC et distribution de tailles de précipités obtenue en MET).
    L’état déformé sera caractérisé en utilisant la DRX, MEB, MET et l’EBSD pour quantifier l’effet de différentes distributions spatiales de précipités sur la densité de dislocations, la taille moyenne des sous-structures, la désorientation moyenne des sous-joints et la densité linéique des joints de grains. De même, l’évolution de ces paramètres lors des traitements thermiques ultérieurs sera étudiée afin de modéliser l’évolution des sous-structures permettant ainsi de modéliser la restauration et la formation de nouveaux grains.
    Pour les températures élevées provoquant des cinétiques de précipitation très rapides, les moyens d’observation conventionnels ne sont plus adaptés. Des expériences in situ par diffraction des rayons X au synchrotron seront réalisées (pour les températures égales et supérieures à 250 °C) pour analyser l’interaction entre la précipitation et les évolutions des sous-structures de dislocations lors de la restauration et de la formation de nouveaux grains. Pour cela, des propositions à expérimentation seront déposés à DESY et à l’ESRF au cours de la première année de la présente étude.
    Ainsi, les modèles métallurgiques développés dans cette étude pourront être ensuite intégrés dans différents cadres numériques, en champ complet ou en champ moyen, relatifs aux évolutions de microstructures et/ou au comportement mécanique.

    Références bibliographiques :
    [1] Martinez R., Guillot I., Massinon D. New heat treatment to improve the mechanical properties of low copper aluminum primary foundry alloy, Materials Science & Engineering A 755 (2019) pp. 158–165.
    [2] Sun, W., Zhu, Y., Marceau, R., Wang, L., Zhang, Q., Gao, X., Hutchinson, C. Precipitation strengthening of aluminum alloys by room-temperature cyclic plasticity, Science (2019), 363 (6430), pp. 972-975.
    [3] Briez Louise, Relations microstructure-propriétés à haute température dans les alliages d’aluminium pour application aéronautique, Thèse de doctorat (2018), MINES Paris Tech, Université PSL.
    [4] Deschamps A., Livet F., Brechet Y., Influence of predeformation on ageing in an Al–Zn–Mg alloy – I. Microstructure evolution and mechanical properties, Acta Mater. 47 (1999) pp. 281–292.
    [5] Assadiki Anass, Modélisation du durcissement par précipitation dans un alliage d’aluminium de fonderie A356+0.5Cu, Thèse de doctorat (2020), MINES Paris Tech, Université PSL.


    Profil et compétences recherchés

    • Ingénieur et/ou titulaire d’un master recherche en métallurgie / science en génie des matériaux ;
    • Bon niveau de cukture générale et scientifique;
    • Goût pour la recherche et pour les techniques d'analyse expérimentales et numériques;
    • 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;
    • Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum).


    Postuler à cette offre de thèse

    Informations générales

    • Thème/Domaine : Mécanique Numérique et Matériaux
    • Lieu de travail : L’étudiant passera 9 premiers mois au CdM à Evry, ensuite 18 mois au Cemef à Sophia Antipolis et 9 derniers mois au CdM à Evry avec des réunions régulières en vidéoconférence et en présentiel pour suivre l’avancement de l’étude.
    • Collaboration : avec le CdM d'Evry
    • Mots clés : aluminium, modélisation, alliages, microstructure
    • Durée de contrat : 3 ans
    • Date limite pour postuler : 2020-09-30

    Contacts

    • Equipe : Métallurgie, Structure, Rhéologie
    • Encadrants :
      Directeur de thèse : Vladimir Esin (Centre des Matériaux)
      vladimir.esin@mines-paristech.fr
      Maître de thèse : Charbel Moussa (Centre de Mise en Forme des Matériaux)
      charbel.moussa@mines-paristech.fr

    Consignes pour candidater

    • les papiers requis pour postuler :
    • 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

    Information ! Les candidatures doivent être déposées en ligne sur le site Cemef. Le traitement des candidatures adressées par d'autres canaux n'est pas garanti.
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