Sciences et génie des matériaux

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

DUHAMEL Cécilie

CREPIN Jerôme

Centre des Matériaux

18/10/2024

corrosion sous contrainte, oxydation,, acier inoxydable, , écrouissage,

stress corrosion cracking, oxidation,, stainless steel, work-hardening

Ce travail de thèse a pour objectif d'étudier l'effet du chargement mécanique et de la déformation, en particulier le mode et le niveau de déformation, sur la résistance à l'amorçage de fissures de corrosion sous contrainte d'un acier inoxydable en milieu primaire des réacteurs à eau sous pression.

The aim of this thesis is to study the effect of mechanical loading and deformation, in particular the mode and strain level, on the susceptibility to stress corrosion cracking initiation of stainless steel in the primary water of pressurised water reactors.

Context and challenges:
Stainless steels are widely used in the primary circuit of pressurised water reactors (PWRs) because of their good corrosion resistance and mechanical properties. Generally speaking, feedback on the use of stainless steels in PWRs is very positive. However, some grades, such as 304L and 316L steels are susceptible to stress corrosion cracking (SCC) under certain service conditions [1]-[3].
SCC is a highly complex surface degradation phenomenon resulting from a synergistic effect between a material, tensile stresses (residual or service) and an aggressive environment. Under service conditions, SCC cracking of stainless steel components is mainly observed in occluded areas, where the environment cannot renew itself properly [1], [2]. Feedback has also shown that work-hardening of stainless steels is a key factor, and often a necessary one, in initiating SCC cracking.
At the end of 2021, new cases of cracking affecting stainless steel piping in the French nuclear fleet were detected. No deviation either of water chemistry or c work hardening was observed where these cracks were initiated. The mechanisms behind SCC cracking in cold-worked stainless steels in a primary environment are still largely unknown at the present time.

Scientific objectives:
In this context, the objective of the thesis is to evaluate the effect of the type of mechanical loading and deformation, in particular the mode and level of deformation, on the resistance to SCC crack initiation of a stainless steel in a PWR primary environment.
Since SCC is a surface phenomenon, the impact of different surface finishes (laboratory polishing vs. industrial surface finish) will also be studied. In order to establish a correlation between factory-produced microstructures and the SCC resistance of components in service, numerical work will be integrated into the thesis. This work will be based on experimental data collected during the thesis.

Expected results:
This subject offers candidates the opportunity to tackle an industrial problem using a multidisciplinary scientific approach, combining metallurgy, mechanics, physical chemistry and numerical modelling. The skills acquired can then be easily exploited in the pursuit of an industrial or academic career.

Les aciers inoxydables sont largement utilisés dans le circuit primaire des réacteurs à eau sous pression (REP) du fait de leur bonne résistance à la corrosion et de leurs bonnes propriétés mécaniques. De façon générale, le retour d'expérience sur l'utilisation des aciers inoxydables en milieu REP est très positif. Toutefois, certaines nuances, comme les aciers 304L et 316L, se sont révélées sensibles à la fissuration par corrosion sous contrainte (CSC) dans certaines conditions de service [1]–[3].
La CSC est un phénomène de dégradation de surface, très complexe, résultant d'un effet synergique entre un matériau, des contraintes de traction (résiduelles ou de service) et un milieu agressif. Dans des conditions de service, la fissuration par CSC de composants en acier inoxydable est observée majoritairement dans des zones occluses, où le milieu ne peut pas se renouveler proprement [1], [2]. Le retour d'expérience a également montré que l'écrouissage des aciers inoxydables est un facteur clé, souvent nécessaire, pour amorcer la fissuration par CSC.
À la fin de l'année 2021, de nouveaux cas de fissuration affectant la tuyauterie en acier inoxydable du parc nucléaire français ont été détectés. Aucun écart du niveau de la chimie de l'eau ou du niveau d'écrouissage des composants n'a été observé à l'endroit où ces fissures sont amorcées. En effet, les mécanismes à l'origine de la fissuration par CSC des aciers inoxydables écrouis en milieu primaire restent largement méconnus à ce jour.

Directeur de ThèseCécilie Duhamel Centre des Matériaux Mines Paris PSL
Co-directeur de Thèse Jérôme Crépin Centre des Matériaux Mines Paris PSL
Co-encadrant Yoann Vidalenc (Framatome)
Co-encadrant THalita De Paula (Framatome)
Le doctorant sera accueilli au Centre Technique de Framatome (Le Creusot) avec des séjours au Centre des Matériaux de Mines Paris-PSL localisé à Evry puis Versailles-Satory à partir d'avril-juin 2025

Profil type pour une thèse à MINES ParisTech: 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):
Master recherche ou ingénieur en science des matériaux et/ou mécanique. Capacité à effectuer des travaux expérimentaux indispensable. Des compétences en calcul numérique et /ou en corrosion seraient un plus.

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

Typical profile for a thesis at MINES ParisTech: 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):
Master's degree in research or engineer in materials science and/or mechanics. Ability to carry out experimental work essential. Skills in numerical calculation and/or corrosion would be a plus.

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

Ce sujet offre au candidat l'opportunité de traiter une problématique industrielle selon une démarche scientifique pluridisciplinaire, combinant métallurgie, mécanique, physico-chimie et modélisation numérique. Les compétences acquises pourront ainsi être facilement valorisées dans la poursuite d'une carrière industrielle ou académique.

Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est d'évaluer l'effet du type de chargement mécanique et de la déformation, en particulier le mode et le niveau de déformation, sur la résistance à l'amorçage des fissures de CSC d'un acier inoxydable en milieu primaire des REP.
Étant donné que la CSC est un phénomène de surface, l'impact de différentes finitions de surface (polissage de laboratoire vs état de surface industriel) sera également étudié. Dans le but d'établir une corrélation entre les microstructures produites en usine et la résistance à la CSC des composants en service, une composante numérique sera intégrée aux travaux de thèse. Cette composante pourra s'appuyer sur des données expérimentales collectées pendant la thèse.

[1] G. O. Ilevbare, F. Cattant, and N. K. Peat, “SCC of Stainless steels under PWR service conditions,” in International Symposium Fontevraud 7, Avignon, France, 2010.

[2] U. Ehrnstén, P. L. Andresen, and Z. Que, “A review of stress corrosion cracking of austenitic stainless steels in PWR primary water,” Journal of Nuclear Materials, vol. 588, p. 154815, Jan. 2024.

[3] M. Erve, “Cracking in stabilized austenitic stainless steel piping of German boiling water reactors – characteristic features and root causes,” in 20th MPA-Seminar, Stuttgart, Germany, 1994.

CIFRE ANRT

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