Mécanique

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

FOREST Samuel

Centre des Matériaux

26/09/2023

Plasticité cristalline, tantale, mise en forme, polycristal, traitements thermiques, éléments finis

Crystal plasticity, tantalum, sheet forming, polycrystal, thermal treatments, finite elements

Prévoir la microstructure et les propriétés mécaniques de composants industriels à l'issue du procédé de fabrication comprenant mise en forme et traitements thermiques est un enjeu essentiel moderne de la mécanique des matériaux. Les modèles polycristallins (homogénéisés ou plein champ), capables de fournir une carte, même partielle, des propriétés mécaniques (contraintes internes et réponse mécanique ultérieure) et métallurgiques (texture cristallographique, densités de dislocations, tailles de grains), sont insuffisamment utilisés aujourd'hui en contexte industriel. L'objectif de la thèse est de montrer le potentiel des modèles polycristallins dans le cas de l'hydroformage du tantale, un métal particulièrement ductile. Le calcul massif parallèle sera mis en œuvre pour un modèle polycristallin homogénéisé élastoviscoplastique à base de densité de dislocations en partant de la connaissance de la texture cristallographique.
Les états locaux obtenus dans la pièce seront alors utilisés pour prévoir l'évolution métallurgique de la microstructure suite à un traitement thermique consécutif à la mise en forme. Pour cela, un modèle récent original couplant mécanique et méthode des champs de phase dans des simulations plein champ (agrégats polycristallins) sera utilisé pour prévoir la migration des joints de grains et la germination de nouveaux grains à partir du champ hétérogène intragranulaire de l'orientation cristalline et des densités de dislocations. Les prévisions numériques seront comparées à chaque étape à des résultats expérimentaux disponibles ainsi que des essais mécaniques et observations microstructurales nouveaux, réalisés sur mesure pendant la thèse.

Predicting the microstructure and mechanical properties of industrial components after the manufacturing process, including forming and heat treatment, is a key issue in modern mechanics of materials. Polycrystalline models (homogenized or full field), capable of providing a map, even partial, of mechanical properties (internal stresses and subsequent mechanical response) and metallurgical properties (crystallographic texture, dislocation densities, grain sizes), are insufficiently used today in an industrial context. The objective of the thesis is to show the potential of polycrystalline models in the case of hydroforming of tantalum, a particularly ductile metal. Parallel massive calculations will be implemented for a homogenized polycrystalline elastoviscoplastic model based on dislocation density, starting from the knowledge of the crystallographic texture. The local states obtained in the part will then be used to predict the metallurgical evolution of the microstructure following a heat treatment after forming. For this purpose, a recent original model coupling mechanics and phase field method in full field simulations (polycrystalline aggregates) will be used to predict the migration of grain boundaries and the nucleation of new grains from the intragranular heterogeneous field of crystal orientation and dislocation densities. The numerical predictions will be compared at each step to available experimental results as well as new mechanical tests and microstructural observations, custom made during the thesis.

Le sujet de thèse proposé s'inscrit dans deux thématiques d'intérêt pour le CEA/Valduc depuis de nombreuses années et ayant déjà fait l'objet de différentes thèses [1-5], à savoir :
• la simulation des procédés de mise en forme de pièces par déformation plastique, couplés à des phases de traitement thermique,
• la prévision de la « qualité » des pièces ainsi obtenues (aspects géométriques, métallurgiques et comportement ultérieur sous diverses sollicitations).
Ces thématiques sont d'autant plus indissociables que le matériau considéré, à savoir le tantale, est particulièrement sensible à son histoire thermomécanique.
Ces préoccupations dépassent le simple intérêt du CEA/Valduc, elles constituent un véritable enjeu industriel répondant en partie aux questions de coût et de délais de développement et de fabrication.

The subject of the proposed thesis is in line with two themes of interest to the CEA/Valduc for many years and which have already been the subject of various PhD theses [1-5], namely: the simulation of processes for the forming of parts by plastic deformation, coupled with heat treatment phases, and the prediction of the 'quality' of the parts thus obtained (geometrical and metallurgical aspects and subsequent behavior under various stresses). These themes are all the more inseparable as the material considered, namely tantalum, is particularly sensitive to its thermomechanical history.
These concerns go beyond the simple interest of the CEA/Valduc, they constitute a real industrial challenge, responding in part to questions of cost and development and manufacturing times.

Directeur de thèse : Samuel FOREST - Centre des Matériaux
Co-encadrant : Kaïs AMMAR - Centre des Matériaux
Co-encadrant : Jean-Michel SCHERER - Centre des Matériaux
Co-encadrant : Sylvain FLOURIOT - CEA

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) :
Thermomécanique des matériaux, mécanique numérique, lois de comportement viscoplastique.

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):

Thermomechanics of materials, computational mechanics, viscoplasticity, constitutive laws.

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

Le travail de recherche proposé s'appuiera initialement sur l'expérience acquise lors des différentes thèses précitées. L'analyse de l'apport et des limites de chacune permettra :
• de préciser le travail expérimental nécessaire pour identifier et valider les modélisations / simulations à réaliser,
• de définir plus précisément la nature des modèles à mettre en œuvre pour répondre au besoin.

Ce travail fera donc appel à des compétences tant expérimentales (suivi d'opérations de mise en forme et de traitements thermiques, caractérisation de pièces, essais mécaniques et caractérisations métallurgiques) que théoriques / numériques (modélisation mécanique, modélisation de la recristallisation, modélisation procédés, simulation par éléments finis). La « confrontation calcul / expérience » sera recherchée à chaque étape. Le doctorant devra présenter des qualités relationnelles permettant d'échanger avec les différents interlocuteurs et être force de proposition pour la définition des expériences / caractérisations nécessaires à son travail.
Des approches polycristallines du comportement et de la recristallisation apparaissent dès à présent nécessaires : leur couplage avec la simulation des procédés de mise en forme sera particulièrement intéressant.
Précisons que le procédé de mise en forme retenu pour ce travail est l'hydroformage. Les paramètres influents lors de la mise en forme de pièces sont entièrement pilotés (à l'exception des coefficients de frottement). Ceci permet de « dissocier » les problématiques modélisation procédé / modélisation matériau.

The proposed research work will initially be based on the experience acquired during the various theses mentioned above. The analysis of the contribution and the limits of each one will allow : to specify the experimental work necessary to identify and validate the modelling/simulations to be carried out, and to define more precisely the nature of the models to be implemented to meet the need.
This work will therefore call on both experimental skills (monitoring of forming operations and heat treatments, characterization of parts, mechanical tests and metallurgical characterizations) and theoretical / numerical skills (mechanical modelling, recrystallization modeling, process modeling, finite element simulation). The 'calculation / experiment confrontation' will be sought at each stage. The PhD student will have to present relational qualities allowing to exchange with the various interlocutors and to be force of proposal for the definition of the experiments / characterizations necessary for his work.
Polycrystalline approaches of the behavior and recrystallization appear already necessary: their coupling with the simulation of the shaping processes will be particularly interesting. Note that the forming process chosen for this work is hydroforming. The influential parameters during the shaping of parts are entirely controlled (except for the friction coefficients). This allows to 'dissociate' the process modelling from material modeling issues.

[1] « Modélisation polycristalline du comportement mécanique du tantale. Application à la mise en forme par hydroformage ».
Thèse de doctorat de S. Frénois - 2001- Ecole Centrale de Paris
[2] « Modélisation du procédé de fluotournage du tantale et du traitement thermique associé ». Thèse de doctorat de M. Houillon - 2009 - Mines Paris PSL
[3] « Analyse des mécanismes de recristallisation statique du tantale déformé à froid pour une modélisation en champ moyen ». Thèse de doctorat C. Kérisit - 2012 - Mines Paris PSL
[4] « Approche multiéchelles du vieillissement et du comportement mécanique cyclique dans le tantale ». Thèse de doctorat D. Colas - 2013 - Mines Paris PSL
[5] « Structures de dislocations dans le tantale pur déformé à froid : évolutions et influences sur la restauration et la recristallisation ». Thèse de J. Baton - 2021 - Mines Paris PSL
[6] G. Cailletaud and P. Pilvin, Utilisation de modèles polycristallins pour le calcul par éléments finis,bRevue Européenne des Eléments Finis, vol. 3, pp. 515-541, 1994. doi : 10.1080/12506559.1994.10511147
[7] S. Frénois, E. Munier, X. Feaugas and P. Pilvin, A polycrystalline model for stress-strain behaviour of tantalum at 300 K, J. Phys. IV France, vol. 11 PR5 Pr5-301-Pr5-308, 2001. doi : https://doi.org/10.1051/jp4:2001537
[8] E. Munier, S. Frénois, X. Feaugas et P. Pilvin, Connaissance des pièces en tantale mises en forme par hydroformage, J. Phys. IV France, vol. 12 no11, 385-392, 2002. doi : 10.1051/jp4:20020516
[9] H. Lim, H.J. Bong, S.R. Chen, T.M. Rodgers, C.C. Battaile and J.M.D. Lane, Developing anisotropic yield models of polycrystalline tantalum using crystal plasticity finite element simulations, Materials Science and Engineering: A, vol. 730, pp. 50-56, 2018. doi : 10.1016/j.msea.2018.05.096
[10] D. Colas, E. Finot, S. Flouriot, S. Forest, M. Mazière and T. Paris, Local Ratcheting Phenomena in the Cyclic Behavior of Polycrystalline Tantalum, JOM Journal of the Minerals, Metals & Materials Society, vol. 71, pp. 2586-2599, 2019. 10.1007/s11837-019-03539-z
[11] D. Colas, E. Finot, S. Flouriot, S. Forest, M. Mazière and T. Paris, Experimental and Computational Approach to Fatigue Behavior of Polycrystalline Tantalum, Metals, vol. 11, article no. 416, 2021. doi : 10.3390/met11030416
[12] « A coupled plasticity-phase field formultion to describe microstructural evolution in polycrystalline aggregates ». Thèse de doctorat de G. Abrivard - 2009 - Mines Paris PSL
[13] « Prediction of size effects and regularization of adiabatic shear band formation in single and polycrystals: Gradient crystal plasticity approach ». Thèse de doctorat de V. Phalke - 2022 - Mines Paris PSL
[14] C. Moussa, M. Bernacki, R. Besnard and N. Bozzolo, Statistical analysis of dislocations and dislocation boundaries from EBSD data, Ultramicroscopy, vol. 179, pp. 63-72, 2017. doi : 10.1016/j.ultramic.2017.04.005
[15] D.A.R. Sarrazola, L. Maire, C. Moussa, N. Bozzolo, D.P. Munoz, M. Bernacki, Full field modeling of dynamic recrystallization in a CPFEM context-Application to 304L steel, Computational Materials Science, vol. 184, pp. 109892, 2020.
[16] R.D. Kamachali, S.J. Kim and I. Steinbach, Texture evolution in deformed AZ31 magnesium sheets: Experiments and phase-field study, Computational Materials Science, vol. 104, pp. 193-199, 2015. doi : 10.1016/j.commatsci.2015.04.006
[17] R. Kobayashi, J.A. Warren and W.C. Carter, A continuum model of grain boundaries, Physica D, vol. 140, pp. 141-150, 2000.
[18] G. Abrivard, E.P. Busso, S. Forest and B. Appolaire, Phase field modelling of grain boundary motion driven by curvature and stored energy gradients. Part II: Application to recrystallisation, Philosophical Magazine, vol. 92, pp. 3643-3664, 2012. doi:10.1080/14786435.2012.717726
[19] A. Ask, S. Forest, B. Appolaire, K. Ammar, O.U. Salman, A Cosserat crystal plasticity and phase field theory for grain boundary migration, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, vol. 115, pp. 167-194, 2018. doi : 10.1016/j.jmps.2018.03.006

Contrat de recherche

https://www.adum.fr/script/downloadfile.pl?type=78&ID=47779