Sciences et génie des matériaux

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

GOURGUES Anne-Françoise

BESSON Jacques

Centre des Matériaux

18/10/2024

Fluage , recristallisation , argent , aluminium

Creep, recrystallization, silver, aluminum

Les joints d'étanchéité pour application au domaine nucléaire font partie des barrières de confinement des produits radioactifs. Ils doivent donc être sûrs sur de longues durées. Le système d'étanchéité doit garder des propriétés d'usage minimum en fin de vie. Le système d'intérêt pour ce projet comporte plusieurs matériaux, dont de l'aluminium et de l'argent, des aciers inoxydables austénitiques et des superalliages base nickel, matériaux susceptibles de se déformer irréversiblement à à des températures modérées sur des temps très longs. Les données de la littérature étant rares dans ce domaine, le projet vise à explorer le comportement viscoplastique de ces matériaux à des températures n'excédant pas 400°C et à le relier aux évolutions microstructurales sous-jacentes. On s'intéressera également à l'effet d'une prédéformation, issue de la fabrication du produit et de sa compression au serrage de l'assemblage d'étanchéité, sur ce comportement viscoplastique.
Partant de l'expertise de joints déjà testés par le partenaire industriel et de l'état de l'art, on définira une campagne d'essais de laboratoire, ainsi que le dispositif associé, permettant de réaliser un nombre conséquent d'essais dans un temps réduit. Le comportement ainsi identifié sera relié à l'évolution des microstructures de déformation (structures de dislocations, restauration, recristallisation). L'ensemble sera capitalisé dans un modèle de comportement qui puisse, à terme, être utilisé pour de longues durées (très supérieures à celle de la thèse) en raffinant et en étayant les lois de comportement utilisées dans les modèles actuels

Seals for nuclear applications participate to the containment of radioactive products. As such, they must ensure safety over long lifetimes. The system of interest in this research project is composed of several materials, including aluminium, silver, austenitic stainless steels and nickel-base superalloys that might be sensitive to long-term irreversible deformation at moderate temperatures. Literature data being scarce in this field, the project aims at investigating the viscoplastic behaviour of these materials at temperatures not higher than 400°C, and to relate it to underlying microstructural evolutions. The effect of prior plastic deformation (owing to the manufacturing and tightening processes) on this viscoplastic behaviour will also be addressed.
Starting from a literature survey and from detailed examinations of gaskets that have already been tested by the industrial partner, an experimental campaign is to be defined at the laboratory scale. A dedicated facility, allowing to perform a high number of tests within limited amounts of time, will also be designed, set-up and operated to acquire experimental data. The identified constitutive behaviour will then be related to the evolution of deformation-related microstructural features (dislocation structures, recovery, recrystallisation). The results are to be capitalised into a constitutive model that will be used in the future to extrapolate long-time behaviours and to refine and further support the constitutive equations used in current lifetime predictions
Context and challenges:
The industrial context addresses safety of nuclear spent fuel storage and transport casks. Safety of the nuclear fuel cycle downstream is a necessary condition to increase the production of low-carbon electricity over the next decades.
Sealing gaskets belong to safety parts as containment barriers to avoid any dissemination of radioactive products. Their long-term behaviour has to be sufficiently accurately estimated, to efficiently and safely optimise their design and secure their in-service lifetime. The gaskets are constituted of several metallic materials. Some of them are intentionally deformed to fit the geometry of assembled parts at the roughness scale to ensure leak-tightness. As for any mechanical assembly, stress relaxation, i.e., progressive compensation of elastic deformation by viscoplastic deformation and the associated decrease in stress might affect the tightness and the ability of seals to address situations related to cask transportation or accidental load cases (drop event, fire…)
The project aims at characterising and modelling the viscoplastic behaviour of these materials, in order to build constitutive models for the industrial partner to estimate the gasket lifetime under various loading conditions of the system, both in normal service and in hypothetic accidental scenarios.

Le contexte industriel est celui de la sûreté de conteneurs de stockage et de transport de combustibles nucléaires usagés. Cette sûreté en aval du cycle est une des conditions du renforcement de la production d'électricité bas carbone dans les prochaines décennies.
Les joints d'étanchéité font partie des éléments de sécurité en tant que barrière de confinement des produits radioactifs. Leur comportement à long terme doit pouvoir être estimé avec une précision suffisante pour optimiser leur dimensionnement et garantir leur durée de vie en fonctionnement en toute connaissance de cause. Ces joints sont constitués de plusieurs matériaux métalliques, dont certains, déformables, épousent la géométrie de la portée à l'échelle des rugosités pour assurer l'étanchéité, d'autres composants du joint assurent le maintien de l'effort de de contact entre le joint et la bride et emmagasine une réserve élastique. Comme pour tout assemblage mécanique, la relaxation, c'est-à-dire le remplacement d'une déformation élastique par une déformation viscoplastique et une baisse associée des contraintes est susceptible de dégrader le serrage et l'aptitude du joint à conserver l'étanchéité dans des situations dégradées (transport des emballages, situation accidentelles de stockage ou de transport comme les chutes, les incendies…).
Le projet vise à caractériser le comportement viscoplastique de ces matériaux et à le modéliser, pour fournir des lois de comportement permettant à l'industriel d'estimer la durée de vie des joints pour différentes sollicitations du système étanche (conditions normales et scénarios accidentels).

Directeur de thèse Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon Mines Paris PSL Centre des Matériaux
Co-Directeur de thèse Jacques Besson CNRS UMR 7633 Mines Paris PSL Centre des Matériaux

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) :
Des compétences solides en mécanique des matériaux (y compris expérimentale) et/ou en métallurgie, ainsi qu'un goût prononcé pour l'expérimentation sont indispensables. Une expérience en calculs par éléments finis serait 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):

Sound skills in mechanics of materials, including experimental work, and/or in metallurgy are necessary. A strong affinity for experimental work is also required. Previous experience in finite element analysis would be appreciated.

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 produira des données encore non connues et fondamentales sur le comportement viscoplastique des deux matériaux, reliés à leur évolution microstructurale, à l'état prédéformé ou non.

Le modèle mis au point, paramétré et utilisé pour des calculs de structures réelles sera également un résultat important de ce travail, avec une application directe dans le domaine industriel concerné.

Le projet permettra à la personne recrutée de bénéficier d'une solide formation par la recherche en métallurgie physique et en mécanique des matériaux, avec des compétences en calcul de structures par éléments finis. Le domaine du nucléaire est très demandeur de ce type de formation, tout comme l'industrie en général.

Au cours du programme doctoral, la personne recrutée acquerra également des compétences en matière de communication scientifique (présentation en conférence internationale, rédaction d'articles, présentation à des collègues non spécialistes dans le cadre de l'école doctorale) et en gestion de projet de recherche (levée de risques, organisation du travail, apprentissage d'un travail de recherche en autonomie). Elle bénéficiera également de contactés étroits avec le partenaire industriel (convention CIFRE et rendez-vous réguliers, calcul de structure chez le partenaire industriel). Elle enrichira ainsi son réseau professionnel, tant académique qu'industriel.

Les données de la littérature, pour les matériaux déformables d'intérêt (aluminium et argent, acier inoxydable austénitique, superalliage base nickel), sont rares dans le domaine de température considéré. Le projet vise donc l'acquisition de telles données, sur des matériaux non prédéformés mais aussi sur des matériaux prédéformés (pour se rapprocher de la sollicitation réelle).
Ces données et la compréhension des phénomènes physiques sous-jacents seront capitalisées dans des modèles de comportement utilisés pour simuler, par la méthode des éléments finis, le comportement des matériaux sous sollicitations réalistes.

Le travail produira des données encore non connues et fondamentales sur le comportement viscoplastique des deux matériaux, reliés à leur évolution microstructurale, à l'état prédéformé ou non.

Le modèle mis au point, paramétré et utilisé pour des calculs de structures réelles sera également un résultat important de ce travail, avec une application directe dans le domaine industriel concerné.

Le projet permettra à la personne recrutée de bénéficier d'une solide formation par la recherche en métallurgie physique et en mécanique des matériaux, avec des compétences en calcul de structures par éléments finis. Le domaine du nucléaire est très demandeur de ce type de formation, tout comme l'industrie en général.

Au cours du programme doctoral, la personne recrutée acquerra également des compétences en matière de communication scientifique (présentation en conférence internationale, rédaction d'articles, présentation à des collègues non spécialistes dans le cadre de l'école doctorale) et en gestion de projet de recherche (levée de risques, organisation du travail, apprentissage d'un travail de recherche en autonomie). Elle bénéficiera également de contactés étroits avec le partenaire industriel (convention CIFRE et rendez-vous réguliers, calcul de structure chez le partenaire industriel). Elle enrichira ainsi son réseau professionnel, tant académique qu'industriel.

CIFRE ANRT

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