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Fiche descriptive du sujet de thèse

Caractérisation 4D de la relation entre microstructure, mécanismes de déformation et fissuration par fatigue d'un superalliage base Caractérisation 4D de la relation entre microstructure, mécanismes de déformation et fissuration par fatigue d'un superalliage base

Caractérisation 4D de la relation entre microstructure, mécanismes de déformation et fissuration par fatigue d'un superalliage base

4D Characterization of the Relationship between Microstructure, Deformation Mechanisms, and Fatigue Cracking of a Nickel-Based Superalloy

Spécialité

Mécanique

Ecole doctorale

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

PROUDHON Henry

Unité de recherche

Centre des Matériaux

Contact
Date de validité

26/09/2023

Site Webhttps://www.mat.minesparis.psl.eu/formation/doctorat/propositions-de-sujets-de-these/
Mots-clés

Fatigue, Tomographie rayons-X, Caractérisation 4D, Microstructure, Superalliage base nickel

Fatigue, Tomography, 4D Characterization, Microstructure, Nickel-based Superalloy

Résumé

La durée de vie en fatigue des matériaux métalliques peut varier de plusieurs ordres de grandeur pour des conditions de chargement identiques. Cette dispersion provient notamment de variabilité microstructurale du matériau. En effet, la fatigue résulte de l'accumulation microscopique de plasticité, qui est dépendante de la morphologie et l'orientation des grains du matériau. Actuellement, les modèles de durée de vie en fatigue ne reproduisent que qualitativement cette dispersion. Un frein majeur à la modélisation de ce phénomène se situe dans le manque de données expérimentales à même de décrire quantitativement l'évolution de la déformation et de l'endommagement, à l'échelle microstructurale.
La thèse proposée, en collaboration avec le Centre des Matériaux (Mines Paris), a pour ambition de relier quantitativement la mesure de la déformation intragranulaire à la fissuration par fatigue dans les matériaux polycristallins. Elle s'appuiera sur le développement d'essais de fatigue novateurs, imagés in-situ en 3D en utilisant les avancées récentes en tomographie par diffraction des rayons X au synchrotron (DCT, 3D-XRD, topotomographie). Ce protocole d'essai 4D (caractérisation 3D in-situ) permettra de caractériser simultanément la microstructure, les déformations plastiques/élastiques microscopiques, l'initiation et la propagation des fissures de fatigue d'échantillons en superalliage base de nickel, avec une résolution inférieure au micron. Ces essais, menés au synchrotron ESRF, seront couplés à une étude de la fatigue et du comportement du matériau à l'aide d'essais conventionnels et micromécaniques (essais in-situ au microscope électronique à balayage), pour enrichir leur compréhension.
L'ensemble de ces résultats doit permettre d'éclairer les mécanismes de fissuration par fatigue du matériau, ainsi que d'identifier les quantités mesurables liées aux mécanismes de déformations microscopiques et quantitativement corrélés à l'amorçage et/ou la propagation des fissures. Cette thèse contribuera à accroître la compréhension de la fatigue à l'échelle microstructurale, et servira le développement de modèles de fatigue quantitativement prédictifs, prenant en compte l'influence de la microstructure.

The fatigue life of metallic materials can vary by several orders of magnitude under identical loading conditions. This dispersion is mainly attributed to the microstructural variability of the material. Indeed, fatigue results from the microscopic accumulation of plasticity, which depends on the morphology and grain orientation of the material. Currently, fatigue life models only qualitatively reproduce this dispersion. A major obstacle in modeling this phenomenon is the lack of experimental data capable of quantitatively describing the evolution of deformation and damage at the microstructural level.

The proposed thesis, in collaboration with the Center for Materials (Mines Paris), aims to quantitatively relate intragranular deformation measurements to fatigue crack initiation and propagation in polycrystalline materials. It will rely on the development of innovative fatigue tests, imaged in-situ in 3D using recent advances in synchrotron X-ray diffraction tomography (DCT, 3D-XRD, topotomography). This 4D testing protocol (in-situ 3D characterization) will allow for simultaneous characterization of microstructure, microscopic plastic/elastic deformations, and fatigue crack initiation and propagation in nickel-based superalloy samples, with sub-micron resolution. These tests, conducted at the ESRF synchrotron, will be coupled with a study of fatigue behavior using conventional and micromechanical tests (in-situ scanning electron microscopy), to enhance the understanding of fatigue phenomena.

The overall results of this research will shed light on the mechanisms of fatigue crack propagation in the material and identify measurable quantities linked to microscopic deformation mechanisms that are quantitatively correlated with crack initiation and/or propagation. This thesis will contribute to enhancing the understanding of fatigue at the microstructural scale and support the development of quantitatively predictive fatigue models that take into account the influence of microstructure.

Contexte

La forte dispersion de la durée de vie en fatigue des matériaux métalliques est un fait expérimental bien établi, que les modèles actuels peinent toujours à reproduire. De ce fait, les critères de dimensionnement pour la tenue en fatigue des composants des aéronefs sont très conservateurs. Ceci induit des coûts importants et limite les perspectives d'allègement des structures. Cette dispersion s'explique en grande partie du fait de la variabilité microstructurale des matériaux. En effet, celle-ci influence directement les modes de déformations microscopiques des alliages, qui pilotent l'amorçage et les premiers stades de propagation des fissures de fatigue. Par ailleurs, cette influence est d'autant plus forte que la gamme de durée de vie considérée est grande. Une compréhension fine de la dépendance de la fatigue à la microstructure constitue ainsi un enjeu scientifique et technologique important. En particulier, un frein majeur à la modélisation de ce phénomène se situe dans le manque de données expérimentales à même de décrire quantitativement l'évolution de la déformation et de l'endommagement, à l'échelle microstructurale.

Encadrement

Directeur de Thèse 1 : Henry PROUDHON
Co-encadrant externe: MARANO Aldo (ingénieur de Recherche) ONERA-DMAS, Centre de Châtillon
Co-encadrant externe 2: BIANCHETTI Charles (ingénieur de Recherche) ONERA-DMAS, Centre de Châtillon

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) :




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):




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

Résultat attendu

Les jeux de données à produire contiendront la description combinée de la microstructure et de la géométrie de la fissure à différents stades de l'essai, permettant de calculer la vitesse et la direction de propagation locales. Pour les grains d'intérêt, au voisinage du trajet de fissuration, les techniques de tomographie avancées seront appliquées pour obtenir des cartographies des rotations cristallines, de la déformation élastique, et de la localisation de plasticité. Ces résultats seront couplés à une étude de la fatigue et du comportement du matériau à l'aide d'essais conventionnels et micromécaniques, ainsi qu'à des modèles de plasticité cristalline, pour enrichir la compréhension des essais in-situ.

Objectif

L'objectif de cette thèse est de développer un protocole d'essai de fatigue in-situ sous rayons-X, permettant de caractériser l'évolution de la microstructure, la déformation et l'endommagement d'une éprouvette en superalliage base Nickel. En plus de la caractérisation tridimensionnelle de la microstructure et de la fissuration, l'enjeu est de quantifier les niveaux et hétérogénéités de déformations élastique et plastique au sein des grains du matériau, dans la zone d'amorçage et de propagation de la fissure. Ces résultats, couplés à une étude expérimentale conventionnelle, doivent permettre d'éclairer les mécanismes de fissuration du matériau. Une seconde finalité, plus ambitieuse, est d'identifier les quantités mesurables liées aux mécanismes de déformations microscopiques et quantitativement corrélés à l'amorçage/propagation des fissures. Celles-ci pourront ensuite être utilisées pour alimenter des modèles de propagation de fissures courtes à l'échelle de la microstructure, dans le but de prédire les scénarios de fissuration observés.

Références

[1] Herbig, M., King, A., Reischig, P., Proudhon, H., Lauridsen, E. M., Marrow, J., ... & Ludwig, W. (2011). 3-D growth of a short fatigue crack within a polycrystalline microstructure studied using combined diffraction and phase-contrast X-ray tomography. Acta Materialia, 59(2), 590-601.
[2] Henningsson, N. A., Hall, S. A., Wright, J. P., & Hektor, J. (2020). Reconstructing intragranular strain fields in polycrystalline materials from scanning 3DXRD data. Journal of applied crystallography, 53(2), 314-325.
[3] Stinville, J. C., Ludwig, W., Callahan, P. G., Echlin, M. P., Valle, V., Pollock, T. M., & Proudhon, H. (2022). Observation of bulk plasticity in a polycrystalline titanium alloy by diffraction contrast tomography and topotomography. Materials Characterization, 188, 111891.
[4] Proudhon, H., Pelerin, M., King, A., & Ludwig, W. (2020). In situ 4D mechanical testing of structural materials: The data challenge. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 24(4), 100834.
[5] McDowell, D. L., & Dunne, F. P. E. (2010). Microstructure-sensitive computational modeling of fatigue crack formation. International journal of fatigue, 32(9), 1521-1542.
[6] Marano, A., Gélébart, L., & Forest, S. (2021). FFT-based simulations of slip and kink bands formation in 3D polycrystals: influence of strain gradient crystal plasticity. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 149, 10429
[7] Navarro, A., & De Los Rios, E. R. (1988). Short and long fatigue crack growth: a unified model. Philosophical Magazine A, 57(1), 15-36.

Type financement

Financement par crédits ANR

Document PDF

https://www.adum.fr/script/downloadfile.pl?type=78&ID=50223

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Fiche descriptive du sujet de thèse - MINES ParisTech
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