Mécanique

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

MORGENEYER Thilo

PROUDHON Henry

Centre des Matériaux

18/10/2024

Economie circulaire, corrélation d'images, particules intermétalliques, tomographie, déformation plane

Circular economy, damage nucleation, idamage nucleation, Intermetallic particles, tomography, finite elements

La thèse vise à comprendre et à modéliser les mécanismes d'endommagement des alliages d'aluminium recyclés lorsqu'ils sont soumis à un chargement de déformations planes. Le recyclage de l'aluminium permet à la fois des économies d'énergie et une réduction drastique des émissions de gaz à effet de serre, car seulement 5% de l'énergie nécessaire à la synthèse primaire (réduction du minerai) est nécessaire pour refondre les déchets d'aluminium. Par rapport aux alliages de référence actuellement utilisés dans les secteurs du transport et de l'emballage, ces alliages ont une teneur plus élevée en impuretés, notamment en fer, ce qui entraîne souvent une dégradation des propriétés mécaniques. L'objectif principal est de prédire l'impact des caractéristiques microstructurales liées aux particules intermétalliques (taille, morphologie, nature, distribution spatiale) et à leur environnement (dureté de la matrice, orientations cristallographiques des grains) sur la ductilité et la formabilité en combinant des caractérisations tomographie synchrotron 3D in-situ à différentes résolutions avec des simulations multi-échelles.

Due to its low density, aluminium (Al) is a key material for sustainability as it allows lightweighting. In the transportation industry, it means fuel consumption reduction and thus lower CO2 emissions, or increased autonomy for electrical vehicles. However, producing primary Al from bauxite ore is very energy intensive, especially the electrolysis step in which alumina oxide is refined and transformed into metal aluminium. So, it is interesting to massively use recycled aluminium, meaning remelting used Al to make new ingots. Indeed, only 5% of the energy required to produce primary Al is needed to remelt Al scrap. Among the most widely used materials, Al has the largest energy gap between primary and secondary synthesis. In principle, Al is infinitely recyclable. However, only one third of Al produced today is made from scrap, resulting in significant greenhouse gas emissions. Increasing this ratio in the coming decades and operating a significant shift from primary synthesis (ore reduction) to secondary synthesis (scrap melting) require designing new alloys, able to tolerate more impurities [Raabe 2021]. As finished goods are often complex and multi-materials, recycling loops operating in a circular economy will systematically bring some contaminants, the main one being iron (Fe). These elements have a low solubility in aluminium and form intermetallic particles negatively impacting product properties such as formability and in service ductility. The current challenge lies in finding solutions to mitigate this detrimental effect, in order to meet demanding properties in spite of higher impurities contents, allowing reduced CO2 emissions for vehicles fabrication and use.
The project aims at determining the particle-related microstructural features (sizes, morphology, nature, spatial distribution…) but also the environment-related features (matrix strength, crystallographic orientations…) that have to be tuned to extend the fields of application of recycling friendly Al alloys. For that, it is key to better understand and predict damage nucleation and growth from intermetallic particles in industrially relevant loading cases (plane strain tension, bending/unbending…).
For that, it is key to better understand and predict damage nucleation and growth from intermetallic particles in industrially relevant loading cases: plane strain tension, as the lowest ductility is found under this strain state. Given the micrometric size of the particles and the nanometric size of the voids in the first stages of nucleation together with the 3D environment to be considered, cutting edge Xray instruments are required to observe and quantify the relation between microstructure and damage. Development of innovative numerical approaches is also needed to tackle the multi-scale aspect of the problem, going from damage at individual particles coupled with the deformation field of the surrounding grains, up to formability and failure prediction on real parts. Currently, our modeling tools do not take into account any intermetallic- or texture-related microstructural aspects into the damage criteria.

En raison de sa faible densité, l'aluminium (Al) est un matériau clé pour le développement durable, car il permet d'alléger les structures. Dans l'industrie du transport, cela signifie une réduction de la consommation de carburant et donc des émissions de CO2, ou une autonomie accrue pour les véhicules électriques. Cependant, la production d'aluminium primaire à partir du minerai de bauxite est très énergivore, en particulier l'étape de l'électrolyse au cours de laquelle l'oxyde d'alumine est raffiné et transformé en aluminium métallique. Il est donc intéressant d'utiliser massivement de l'aluminium recyclé, c'est-à-dire de refondre l'aluminium usagé pour fabriquer de nouveaux lingots, ce qui permet d'économiser 95 % de l'énergie nécessaire à la production d'aluminium primaire. Parmi les matériaux les plus utilisés, c'est l'aluminium qui présente l'écart énergétique le plus important entre la synthèse primaire et la synthèse secondaire, et en principe, l'aluminium est recyclable à l'infini. Cependant, seul un tiers de l'aluminium produit aujourd'hui l'est à partir de déchets, ce qui entraîne d'importantes émissions de gaz à effet de serre. L'augmentation de ce ratio dans les décennies à venir et le passage significatif de la synthèse primaire (réduction du minerai) à la synthèse secondaire (fusion des déchets) nécessitent la conception de nouveaux alliages, capables de tolérer davantage d'impuretés [Raabe 2021]. Les produits finis étant souvent complexes et composés de plusieurs matériaux, les boucles de recyclage fonctionnant dans le cadre d'une économie circulaire apporteront systématiquement certains contaminants, dont le principal est le fer (Fe). Ces éléments sont peu solubles dans l'aluminium et forment des particules intermétalliques qui ont un impact négatif sur les propriétés du produit, telles que la formabilité et la ductilité en service. Le défi actuel consiste à trouver des solutions pour atténuer cet effet néfaste, afin de répondre aux propriétés exigées malgré des teneurs en impuretés plus élevées.
Le projet vise à déterminer les caractéristiques microstructurales liées aux particules (taille, morphologie, nature, distribution spatiale...) mais aussi les caractéristiques liées à l'environnement (résistance de la matrice, orientations cristallographiques...) qui doivent être ajustées pour étendre les champs d'application des alliages d'aluminium respectueux du recyclage. Pour cela, il est essentiel de mieux comprendre et prédire la nucléation et la croissance des dommages à partir des particules intermétalliques dans les cas de chargements industriels pertinents : traction en déformation plane, car c'est dans cet état de déformation que l'on trouve la ductilité la plus faible.
Compte tenu de la taille micrométrique des particules et de la taille nanométrique des vides dans les premières étapes de la nucléation, ainsi que de l'environnement 3D à prendre en compte, des instruments à rayons X de pointe sont nécessaires pour observer et quantifier la relation entre la microstructure et l'endommagement. Le développement d'approches numériques innovantes est également nécessaire pour aborder l'aspect multi-échelle du problème, allant de l'endommagement des particules individuelles couplé au champ de déformation des grains environnants, jusqu'à la formabilité et la prédiction des défaillances sur des pièces réelles. Actuellement, les outils de modélisation ne prennent pas en compte les aspects microstructuraux intermétalliques ou liés à la texture dans les critères d'endommagement.

Directeur de thèse Thilo Morgeneyer - Centre des Matériaux Mines Paris PSL
Co-directeur de thèse Henry Proudhon - Centre des Matériaux Mines Paris PSL
Encadrant externe Erembert NIZERY - Constellium C-Tec

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) :

Le(la) candidat(e) recherché(e) aura suivi un enseignement de haut niveau en mécanique des matériaux et métallurgie. Il(elle) aura un goût développé pour à la fois le travail expérimental, la caractérisation métallurgique et la modélisation micromécanique.

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):

PhD candidate should have excellent skills in mechanics and physical metallurgy and ability for both experimental work and micro-mechanical modelling.


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

Une quantification de la cinétique de germination des dommages en fonction de la contrainte et de la déformation est attendue. En outre, des informations sur la germination des dommages en fonction de la taille et de l'espacement des particules devraient être fournies. Les mécanismes d'endommagement de chaque alliage seront étudiés. Les techniques de corrélation d'images numériques et de volumes fourniront un aperçu des champs de déformation à l'intérieur de la masse du matériau. Elles fournissent également des conditions limites pour la modélisation par éléments finis en champ libre. Pour certains cas bien choisis, la structure 3D du grain sera corrélée avec les champs de déformation locaux et la cinétique de nucléation des dommages.

D'un point de vue scientifique, le projet offrira de nouvelles possibilités pour tester les matériaux (y compris en déformations planes, ce qui est nouveau) à une résolution extrêmement élevée grâce à la nano-imagerie in situ [Hurst2023]. Cette nouvelle méthode a pour but d'élucider la germination des dommages en fonction des paramètres microstructuraux. Différentes nuances de matériaux présentant des teneurs en impuretés/particules, des formes et des espacements ainsi que des textures différentes seront produites pour la présente étude. Sur la base de ces données expérimentales sans précédent, des lois nouvelles et existantes sur la germination des dommages seront testées et validées. En combinant des techniques corrélatives telles que la DCT pour la structure polycristalline, la nanotomographie in situ et les techniques de corrélation d'images numériques [Buljac 2018], une mine d'informations complémentaires sera recueillie pour informer ou valider les approches numériques. D'un point de vue numérique, le projet de thèse est une opportunité parfaite pour démontrer l'intérêt d'utiliser la modélisation avancée à l'échelle de la microstructure pour alimenter les modèles d'endommagement basés sur des algorithmes d'apprentissage automatique.

Raabe2022] D. Raabe, Prog. Mater. Sci., vol. 128, p. 100947, Jul. 2022.
[Hurst2023] M. Hurst et al., Sci. Rep., vol. 13, no. 1, pp. 1–11, Jan. 2023.
[Buljac2018] A. Buljac, F. Hild, L. Helfen, and T. F. Morgeneyer, Acta Mater., vol. 149, pp. 29–45, May 2018.
[Kobayashi2022] M. Kobayashi et al., Acta Mater., vol. 240, Nov. 2022.
[Buljac2017] A. Buljac et al., Comput. Mech., vol. 59, no. 3, pp. 419–441, Mar. 2017.

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