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Mastère Spécialisé AIMove: Artificial Intelligence and Movement in Industries and Creation

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[POURVU] Etude de l'influence de la texture et de la microstructure d'un acier 316L élaboré par procédés LPBF et WAAM sur son comportement mécanique à rupture

Influence of texture and microstructure on the fracture properties of a 316L stainless steel elaborated by LPBF and WAAM

Proposition de thèse

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

GOURGUES Anne-Françoise

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactAnne-Françoise GOURGUES
Date de validité

01/10/2020

Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Accueil/Propositions-de-theses/
Mots-clés

Microstructure, Traitements thermiques, Fabrication additive, Mécanique de la rupture, Acier inoxydable

Microstructure, heat treatments, additive manufacturing, fracture mechanics, stainless steel

Résumé

Ce travail de thèse a pour objectif d'étudier les relations existant entre la microstructure, la texture et les propriétés mécaniques de rupture d'un acier austénitique 316L élaborés par les procédés de fabrication additive (fusion laser sur lit de poudre et arc-fil). L'étude vise, d'une part, à déterminer l'influence de la microstructure et de la texture sur ses propriétés en flexion par choc et en ténacité avec une approche micromécanique, et, d'autre part, à vérifier la corrélation entre flexion par choc et ténacité, caractéristique à la base de la codification de dimensionnement utilisée par EDF.

This research project aims at studying the relationship between the microstructure and the fracture properties of a 316L stainless steel fabricated using two different additive manufacturing processes (LPBF and WAAM). Different microstructures obtained after different thermomechanical treatments will be tested by means of impact and fracture toughness tests. Micromechanical modeling will be used to determine the effect of the microstructure on the fracture properties. The correlation between results from both tests will also be established.

Contexte

Les études dédiées au développement des procédés d'élaboration par fabrication additive pour les applications dans l'industrie nucléaire montrent que l'obtention de composants en acier austénitique 316L par Laser Powder Bed Fusion (LPBF ou fusion laser sur lit de poudre) et Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM ou procédé arc-fil) soulèvent des problématiques aux niveaux des procédés, des propriétés effectives des matériaux élaborés et de leur qualification. En effet, les résultats démontrent que les propriétés mécaniques finales sont, d'une part, différentes des propriétés mécaniques obtenues en employant des procédés traditionnels et, d'autre part, se caractérisent couramment par une anisotropie de comportement. L'amplitude de ces différences et de cette anisotropie peut être significative, remettant en question la conception et l'aptitude à l'usage des composants dimensionnés à partir de codes établis pour l'utilisation des procédés traditionnels et qui n'intègrent pas ces particularités.
Ces caractéristiques sont liées à la microstructure particulière obtenue sur les matériaux consolidés, héritée des spécificités des procédés mis en œuvre. La maîtrise de l'ensemble de la gamme de fabrication, incluant le procédé de consolidation par LPBF et WAAM, les traitements de parachèvements, la qualification et la codification des composants, implique de comprendre les liens entre les paramètres du procédé, la microstructure et les propriétés mécaniques, notamment à rupture.

Prior studies dedicated to the development of fabrication additive processes for nuclear applications have shown that parts made of 316L austenitic stainless steel by Laser Powder Bed Fusion (LPBF) and Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) exhibits microstructural features and mechanical properties that differ from those obtained by conventional processes. For instance, the microstructure inherited by the additive manufacturing processes can lead to an anisotropic mechanical behavior. Thus, usual guidelines used for specifications and designs of components in the nuclear industry may not be adapted and must be re-assessed. This requires better understanding of the relationship between processing parameters, microstructure and mechanical properties.

Encadrement

Directeur de thèse : Anne-Françoise GOURGUES (Centre des Matériaux)
Co-Encadrants : Sylvain DEPINOY (Centre des Matériaux)
Co-Encadrants externe : Pierre-François GIROUX & Hicham MASKROT (CEA)
Bernard YRIEIX & Yang SHEN (EDF)

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) : Métallurgie, méthodes de caractérisation microstructurale, mécanique de la rupture, essais mécaniques.


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):
Metallurgy, Microstructural characterization methods, fracture mehanics, mechanical testing.


Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicantÂ'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

Méthodologie et résultats de caractérisation métallurgique et mécanique d'aciers inoxydables austénitiques élaborés par fabrication additive suivie d'un traitement thermique.
Meilleure compréhension des liens entre microstructure et propriétés à rupture de ces matériaux, notamment via l'utilisation de modèles micromécaniques.
Liens qualitatifs et quantitatifs entre résilience et ténacité de ces matériaux.
Pour le(la) doctorant(e) : solide formation en métallurgie mécanique, essentiellement expérimentale mais des compétences en modélisation numériques pourront être également requises et développées pour capitaliser résultats et connaissances. Ce type de profil est très recherché dans l'industrie, tant en expertise qu'en recherche-développement. La personne sera également sensibilisée à une problématique industrielle à fort enjeu technologique.

Development of a metallurgical and mechanical characterization methodology for austenitic stainless steels fabricated using additive manufacturing..
Improving current understanding of the links between microstructure and fracture properties for this material family.
Qualitative and quantitative links between impact toughness and fracture toughness of these materials.
As for the PhD student: sound training and significant professional experience in mechanical metallurgy, mainly from an experimental point of view. Numerical modelling skills could be used and developed to capitalize experimental results and new knowledge. This combination of skills is highly searched for in industry. The PhD student will become familiar to an industrial issue of high technological importance.

Objectif

Les résultats obtenus dans le cadre de travaux récents [1] ont permis de démontrer la capacité à obtenir des aciers 316L avec des microstructures spécifiques par procédé LBPF et traitements thermomécaniques associés (texture, orientation et taille de grains, cellules de solidification, densité de dislocations…). Les caractérisations mécaniques (flexion par choc et ténacité) seront effectuées sur différents états microstructuraux, correspondant à différents traitements thermomécaniques post-élaboration par LPBF et WAAM, afin de déterminer et d'isoler l'effet des différentes propriétés microstructurales sur les propriétés mécaniques à rupture via l'utilisation de modèles micromécaniques.

A previous study [1] has shown that the crystallographic texture, the grain size, the solidification cell size and the dislocation density of 316L stainless steel elaborated by LPBF are dependent on process parameters and on subsequent heat treatments. Different microstructures corresponding to different post-fabrication thermomechanical treatments will be mechanically characterized (impact and fracture toughness tests) in order to assess and isolate the effect of each microstructural feature on the fracture properties through micromechanical modelling.

Références

[1] A. Chniouel, thèse de l'Université Paris-Saclay, 2019

Type financement

Contrat de recherche

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