Etude des relations ténacité - microstructure de nouveaux aciers nano-renforcés à haute performance
Les aciers ODS sont envisagés comme matériau pour les réacteurs de quatrième génération. Ils offrent une haute résistance en traction, en fluage [1-3]. Ce haut niveau de renforcement s’accompagne d’une réduction de la ductilité et de la ténacité. La mise en forme de tubes modifie la microstructure, il convient donc d’évaluer les propriétés du matériau sous sa forme finale. Les travaux de B. Rais [4] ont permis de comparer les différents essais et de développer un essai et une méthode d’analyse pour la mesure de ténacité sur tube mince.
Cette présente thèse utilisera ce nouvel essai afin d’évaluer la ténacité de diverses nuances ODS. Des microstructures variées issues de productions historiques et récentes permettront d’identifier les mécanismes, les paramètres clés pilotant la ténacité et d’identifier les paramètres microstructuraux qui pilotent la réponse du matériau. Dans ce travail on s’intéressera à des nuances ferritiques / martensitiques dont certaines sont issues d’un procédé de fabrication qui fait l’objet d’un dépôt de brevet [5-6] et pour lesquelles on observe pour la première fois des propriétés en résilience remarquables, associées à des bonnes propriétés mécaniques à chaud.
L’étude s’appuiera sur une confrontation expérience / modélisation. Ce travail de recherche appliquée permettra à l’étudiant d’acquérir des compétences solides en mécanique de la rupture et en caractérisation fine des matériaux (MEB, EBSD…). La bonne compréhension des relations propriétés mécaniques / microstructure permettra de comprendre l’origine des propriétés observées et de proposer de nouvelles optimisations sur les microstructures pour améliorer le comportement mécanique et / ou la mise en forme du matériau.
*Profil étudiant : Ingénieur ou M2 Mécanique / Matériaux
*Possibilité de faire un stage de Master / fin d'étude sur ce sujet en préalable à la thèse
Effet du champ de déformation élastique sur la formation sur les défauts d’irradiation formés dans des métaux purs
Dans le contexte actuel de prolongation de la durée de fonctionnement des centrales nucléaires actuelles, un important programme de surveillance des matériaux de structure est en place. Il est primordial pour contrôler le vieillissement des matériaux et garantir leurs propriétés mécaniques. Lors du fonctionnement de la centrale, les matériaux sont soumis à une irradiation. Lors de cette sollicitation, la structure interne des matériaux évolue et de nombreux défauts sont créés, ce qui dégrade les propriétés macroscopiques et peut conduire à une limitation de la durée de vie des pièces. Le travail proposé est une étude fondamentale menée sur des matériaux modèles, dans le but d'approfondir notre compréhension du comportement sous irradiation des alliages métalliques. Il permettra d’alimenter la modélisation multi-échelle des matériaux, couvrant les défauts créés à l'échelle nanométrique jusqu'au niveau des composants nucléaires.
L’irradiation des matériaux avec des particules de haute énergie comme les neutrons, les ions ou les électrons génère un grand nombre de défauts appelés défauts ponctuels (DP). Ces DP, mobiles, peuvent migrer et s’agglomérer sous forme d’amas pour former des objets bidimensionnels comme des boucles prismatiques ou tridimensionnels comme des cavités. Ils peuvent également être éliminés au niveau de puits de DP. Le système est alors le siège de flux de DP orientés en direction de ces puits. Ces flux sont à l’origine de phénomènes de précipitation ou de ségrégation d’atomes de soluté [1] [2]. La présence de DP agglomérés et de flux de DP modifie la microstructure et peut détériorer les propriétés physiques des matériaux irradiés. En particulier, la formation de boucles prismatiques dégrade les propriétés mécaniques des matériaux car elles peuvent ralentir les dislocations et générer de la fragilisation [3]. Dans une étude précédente, nous nous étions intéressés aux défauts lacunaires sous forme de cavités et avions étudié le facettage de défauts formés dans un métal faiblement anisotrope, l’aluminium, grâce à des irradiations in-situ dans un microscope électronique en transition (MET) à haute résolution (MET-HR).
Le travail proposé a pour ambition d’aller plus loin dans l’étude de l’impact des champs de déformation élastiques sur les morphologies des défauts d’irradiation. Plus précisément, il a pour objectif de réaliser une étude systématique sur différents métaux présentant des coefficients d’anisotropie différents. Nous avons choisi des métaux de référence de structure cubique centrée (CC) comme le fer ou le chrome et cubique à faces centrées (CFC) comme l’aluminium ou le cuivre présentant des coefficients d’anisotropie faibles ou élevés et pourra être étendue à des alliages de complexité supérieure comme les alliages à haute entropie (HEA).
Le travail sera principalement expérimental. Les métaux étudiés sont des monocristaux présentant la même orientation [100] pour s’affranchir de l’effet des surfaces sur la forme des objets formés. Ils seront irradiés aux ions lourds à des températures normalisées par rapport à leur température de fusion soit in-situ dans la plateforme Jannus Orsay, soit ex-situ dans la plateforme Jannus du CEA de Saclay [6]. Les boucles seront imagées par MET conventionnel ou STEM avec des microscopes de type FEI Tecnai et Jeol NeoARM. Ce dernier est un appareil de toute dernière génération, équipé d’un double correcteur d’aberration de sphéricité. Le travail sera réalisé dans le cadre du laboratoire de recherche commun (LRC) MAXIT regroupant notamment le SRMP et le LEM (CNRS/ONERA).
Le travail comportera également un volet numérique. Les effets d’anisotropie cristalline sur la morphologie des boucles prismatiques seront étudiés par l'utilisation d'un code de champ de phases [4]. L’arrangement spatial des boucles sera étudié en Monte-Carlo sur objet (OKMC) [5], comme cela a été fait récemment dans l’aluminium. Dans le cadre du stage, un seul de ces axes numériques sera abordé.
Le travail est réalisé à la suite d’un travail post-doctoral de 2 ans qui s’achèvera en décembre 2023 et qui a permis de développer des approches de type intelligence artificielle (IA) pour accélérer la détection automatique des défauts créés sous irradiation [7]. L’utilisation de ces approches permettra d’améliorer significativement la statistique et la précision des résultats.
Avantage pour l’étudiant: Le stagiaire évoluera dans un laboratoire constitué de 25 chercheurs et d’environ 25 étudiants chercheurs (doctorants, post-doctorants ou stagiaires) où une règne une forte émulation scientifique. Les activités sont à la fois expérimentales et de simulation. Il aura donc l’occasion d’interagir avec des personnes compétentes dans son sujet.
[1] M. Nastar, L. T. Belkacemi, E. Meslin, et M. Loyer-Prost, « Thermodynamic model for lattice point defect-mediated semi-coherent precipitation in alloys », Communications Materials, vol. 2, no 1, p. 1-11, mars 2021, doi: 10.1038/s43246-021-00136-z.
[2] L. T. Belkacemi, E. Meslin, B. Décamps, B. Radiguet, et J. Henry, « Radiation-induced bcc-fcc phase transformation in a Fe3%Ni alloy », Acta Materialia, vol. 161, p. 61-72, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.08.031.
[3] M. Lambrecht et al., « On the correlation between irradiation-induced microstructural features and the hardening of reactor pressure vessel steels », Journal of Nuclear Materials, vol. 406, no 1, p. 84-89, 2010, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2010.05.020.
[4] A. Ruffini, Y. Le Bouar, et A. Finel, « Three-dimensional phase-field model of dislocations for a heterogeneous face-centered cubic crystal », Journal of the Mechanics and Physics of Solids, vol. 105, p. 95-115, août 2017, doi: 10.1016/j.jmps.2017.04.008.
[5] D. Carpentier, T. Jourdan, Y. Le Bouar, et M.-C. Marinica, « Effect of saddle point anisotropy of point defects on their absorption by dislocations and cavities », Acta Materialia, vol. 136, p. 323-334, sept. 2017, doi: 10.1016/j.actamat.2017.07.013.
[6] A. Gentils et C. Cabet, « Investigating radiation damage in nuclear energy materials using JANNuS multiple ion beams », Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, vol. 447, p. 107-112, mai 2019, doi: 10.1016/j.nimb.2019.03.039.
[7] T. Bilyk, A. M. Goryaeva, E. Meslin, M.-C. Marinica, Quantification of radiation damage in high entropy alloys by deep learning approach, 2-7/10/2022, MMM2022, Baltimore, USA
Impact des paramètres d’irradiation sur la formation de la phase alpha’ dans les aciers renforcés par dispersion d’oxydes (ODS)
Les aciers ferritiques-martensitiques renforcés par dispersion d'oxydes (aciers ODS) sont des matériaux d’intérêt pour la filière nucléaire. Composés majoritairement de fer et de chrome, ces matériaux peuvent être fragilisés par la précipitation sous irradiation d’une phase riche en chrome, la phase alpha prime. Cette phase, réputée sensible aux conditions d’irradiation, en fait un sujet idéal pour mieux comprendre les limites de la transférabilité ions-neutrons. En effet, si les irradiations aux ions sont fréquemment utilisées pour comprendre les phénomènes observés sous irradiation neutronique, la question de leur représentativité est régulièrement soulevée.
Dans cette thèse, nous cherchons donc à comprendre dans quelle mesure les paramètres des irradiations impactent les caractéristiques de la phase alpha’ dans les aciers ODS. Pour cela, des aciers ODS seront irradiés dans différentes conditions (flux, dose, température type de particules (ions, neutrons, électrons)) puis analysés à l’échelle nanométrique. Les caractéristiques des nano-oxydes (taille, densité) et de la phase alpha’ (taille, teneur en Cr), obtenues pour chacune des conditions d’irradiation, seront comparées à celles d’un échantillon de MA957 après irradiation aux neutrons.
Elaboration, caractérisation et modélisation de films minces à base d’oxydes (Mn,Co)3O4 appliquées aux revêtements contre la corrosion et à la spintronique
Les spinelles de métaux de transition apparaissent spontanément lors de la corrosion généralisée des aciers ou alliages en milieu aqueux ou gazeux à haute température. Ces phases spinelles de type AB2O4 forment une couche de corrosion continue et régissent de ce fait les processus de corrosion car elles régulent la conductivité et le transport de matière entre le matériau et le milieu. Ces spinelles sont aussi déposés volontairement comme revêtements de protection contre les phénomènes de dégradation. En particulier, le système spinelle Mn-Co-O est très prometteur en tant que couche conductrice protectrice sur l’acier inoxydable ferritique utilisé pour fabriquer des interconnexions dans les piles à combustibles à oxyde solide pour la production d’hydrogène vert. Le choix de la composition de ces phases spinelle détermine évidement les caractéristiques de protection des revêtements. Ces caractéristiques sont particulièrement délicates pour les matériaux des électrolyseurs à haute température car le transport électronique doit être optimal (électrolyse importante) mais ne doit pas s’accompagner de transport de matière (diffusion des cations faible).
Paradoxalement, les propriétés de transport des spinelles de métaux de transition sont en général mal connues. Les mesures sont faites sur des couches de corrosion ou des revêtements de compositions variables, de faibles cristallinités, de microstructures complexes et de surcroit de faibles épaisseurs. Par ailleurs, les spinelles montrent des propriétés magnétiques et de désordre cationique en fonction de la composition largement ignorés alors qu’elles ont un impact fort sur le transport. Ce sont précisément ces propriétés magnétiques et de transport qui présentent un intérêt majeur dans le domaine de la spintronique. Ainsi, la manipulation de la composition chimique de ces oxydes de structure spinelle (normale, inverse ou mixte) offre une large gamme de propriétés magnétiques (ferrimagnétique, antiferromagnétique) et électroniques (semi-métallique, semi-conducteur, isolant). En particulier CoMn2O4, est prédit avoir une configuration magnétique complexe [1], reliée principalement à l’arrangement des cations Co2+ et Mn3+ dans les sites interstitiels, qu’il convient d’analyser en détail. Ces études physiques requièrent, à l’inverse des couches de corrosion, la synthèse de couches minces de composition et de cristallinité bien maitrisées.
L’objectif de la thèse est d’une part d’apporter les connaissances structurales et physiques des oxydes modèles de composition chimique (Mn,Co)3O4 pour contribuer à l’élaboration de diagramme de phase (Mn-Co-O) et d’autre part de développer un modèle de transport électronique reposant sur la relation entre ordre/désordre – propriétés magnétiques et résistivité pour les spinelles (Mn,Co)3O4 et à terme sur l’ensemble des spinelles (Fe,Cr,Mn,Co)3O4. Les investigations seront conduites sur des couches minces de composition parfaitement maitrisées, de grande cristallinité et seront complétées par des simulations numériques. L’ensemble des travaux expérimentaux et de modélisation s’appuiera sur les résultats des études précédentes sur les couches simples de spinelles de composition (Ni,Fe,Cr)3O4 [2,3].
La thèse comportera plusieurs volets :
- Croissance de couches minces et multicouches par MBE (Molecular Beam Epitaxy) (J.-B. Moussy)
- Caractérisations spectroscopiques par XPS (X-ray photoemission spectroscopy) (F. Miserque)
- Caractérisations structurales fines par DRX et par absorption X (XMCD) (P. Vasconcelos)
- Modélisation des spectres XPS et d’absorption X, et modélisation atomistique (A. Chartier)
- Caractérisations magnétiques par magnétométrie SQUID/VSM et électriques (J.-B. Moussy)
[1] Systematic analysis of structural and magnetic properties of spinel CoB2O4 (B= Cr, Mn and Fe) compounds from their electronic structures, Debashish Das, Rajkumar Biswas and Subhradip Ghosh, Journal of Physics: Condensed Matter 28 (2016) 446001.
[2] Stoichiometry driven tuning of physical properties in epitaxial Fe3-xCrxO4 thin films, Pâmella Vasconcelos Borges Pinho, Alain Chartier, Denis Menut, Antoine Barbier, Myrtille O.J.Y. Hunault, Philippe Ohresser, Cécile Marcelot, Bénédicte Warot-Fonrose, Frédéric Miserque, Jean-Baptiste Moussy, Applied Surface Science 615 (2023) 156354.
[3] Elaboration, caractérisation et modélisation de films minces et multicouches à base d’oxydes (Ni,Fe,Cr)3O4 appliquées à la corrosion et à la spintronique, A. Simonnot, thèse en cours.
Fissuration différée par hydruration (DHC) de gaines de combustible nucléaire : expériences, modélisations et simulations numériques des effets de microstructure
La corrosion des gaines de combustible nucléaire par l’eau du circuit primaire lors de leur passage en réacteur conduit à leur hydruration. La fissuration différée par hydruration (DHC) est susceptible d’intervenir ultérieurement, lors de leur entreposage à sec. Cette fissuration nécessite un défaut pré-existant et un historique thermo-mécanique permettant de mettre en œuvre le mécanisme itératif suivant : diffusion d’hydrogène, précipitation d’hydrures en pointe de fissure et rupture de la zone ainsi fragilisée. Au cours d’une thèse précédente réalisée dans le laboratoire d’accueil, une procédure originale couplant expériences et simulations numériques par éléments finis a permis de déterminer la ténacité des gaines de Zircaloy-4 détendu non irradiées en cas de DHC, et de rendre compte de l’effet du chargement mécanique et de la température sur le temps d’incubation et la vitesse de fissuration entre 150 et 250 °C. L’objectif de la présente thèse est d’une part d’appliquer cette procédure à un matériau de gainage plus moderne (le M5 recristallisé) et d’autre part de développer une modélisation à l’échelle fine de la microstructure pouvant rendre compte des effets sur la DHC de la texture (cristallographique et morphologique), de la direction et du plan de propagation, ainsi que de l’irradiation.
Cette thèse constitue pour le candidat l’occasion d’adopter une démarche scientifique pluridisciplinaire alliant métallurgie, mécanique et physico-chimie, en s’appuyant sur des techniques expérimentales et numériques de pointe développées au CEA et à l’Ecole des Mines. Les compétences qu’il sera ainsi amené à acquérir pourront donc être valorisées lors de la suite de sa carrière dans le monde industriel (y compris hors nucléaire) ou académique.
Etude expérimentale et modélisation de l'oxydation à haute température d'un substrat en alliage de zirconium revêtu au chrome
Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la recherche et du développement de matériaux plus résistants en conditions extrêmes à haute température. On s’intéresse ici plus particulièrement à un nouveau concept de gaines de combustible nucléaire à base de zirconium revêtues de chrome. L’objectif du sujet de thèse est d’adapter le code Ekinox-Zr, initialement développé pour décrire les phénomènes de diffusion dans les gaines de Zr non revêtues, aux gaines revêtues de Cr de sorte à construire un nouveau code « Ekinox-Zr-Cr ». Ce travail comportera deux parties : une partie modélisation/simulation et une partie expérimentale ayant pour but de déterminer les coefficients de diffusion des espèces Cr, Zr et O dans les différentes phases du système, paramètres essentiels pour la modélisation. Des expériences d’oxydation à haute température des gaines revêtues seront aussi utilisées pour mieux comprendre ces mécanismes et les comparer aux résultats obtenus avec le code Ekinox-Zr-Cr construit tout au long de la thèse.
Caractérisation expérimentale et simulation numérique de la rupture d’oxydes intergranulaires : Application à la corrosion sous contraintes assistée par l’irradiation
Les alliages métalliques utilisés dans les applications industrielles peuvent former des couches d’oxydes en présence d’un environnement corrosif. Ces oxydes peuvent être répartis en surface et / ou se localiser au niveau des joints de grains. Dans ce dernier cas, les joints de grains oxydés peuvent rompre de manière fragile sous chargement mécanique, et potentiellement conduire à la rupture intergranulaire du matériau. Ce mécanisme est par exemple un scénario possible de la rupture de vis en acier inoxydable austénitique utilisées dans les Réacteurs nucléaires à Eau Pressurisée (REP). Sous l’effet du chargement mécanique, de l’irradiation par les neutrons et de la présence de l’environnement corrosif, ces vis peuvent se fissurer par un phénomène appelé corrosion sous contraintes assistée par l’irradiation. La modélisation de ce phénomène passe d’une part par la détermination des propriétés de rupture des oxydes intergranulaires, et d’autre part par la prise en compte des couplages entre fissuration, oxydation et irradiation. Dans cette thèse, une approche originale qui combinera expériences et simulations numériques est proposée. Dans un premier temps la mise en oeuvre de simulations numériques basées sur l’approche variationnelle de la rupture sera abordée pour concevoir des expériences de micromécanique de type micro-poutres visant d’une part à déterminer les propriétés de rupture des oxydes de manière fiable et d’autre part à étudier les couplages entre fissuration, oxydation et irradiation. En particulier, le couplage fissuration – oxydation préfigurant la transition entre amorçage et propagation sera étudié en détail. Dans un second temps, ces expériences seront réalisées sur des aciers modèles et d’intérêt industriel, puis interprétées à l’aide des simulations numériques. L’ensemble des résultats obtenus sera finalement incorporé dans des simulations d’agrégats polycristallins afin d’évaluer la possibilité de prédire de manière quantitative la fissuration intergranulaire dans le cadre du phénomène de corrosion sous contraintes assistée par l’irradiation.
A l’issue de la thèse, le doctorant aura acquis des compétences à la fois expérimentales – essais micromécaniques – et numériques – simulations numériques de rupture – à la pointe de l’état de l’art et applicables à un grand nombre de problématiques en mécanique des matériaux.
Un stage de Master 2 / fin d’études préparatoire à la thèse est disponible en 2024.
Caractérisation expérimentale et simulation par dynamique d’amas de l’effet de l’hélium sur les défauts d’irradiation et le gonflement associé dans les aciers austénitiques inoxydables des internes de cuve des réacteurs à eau pressurisée
La microstructure des matériaux des structures internes des Réacteurs à Eau Pressurisée (REPs), qui jouent un rôle primordial notamment en assurant le maintien des assemblages combustibles, évolue sous irradiation. Mieux appréhender ces évolutions pourrait permettre une meilleure prédiction du comportement en fonctionnement de ces matériaux en aciers austénitiques inoxydables (Fe-Cr-Ni) de la série 300, en particulier des aciers 304. Le gonflement constitue une de ces évolutions potentielles et la question de son existence à forte dose est d’actualité avec l’objectif de prolonger la durée de fonctionnement des REP.
L’objectif de cette thèse est d’apporter une meilleure compréhension des mécanismes de gonflement et des évolutions microstructurales au travers d’une étude analytique de l’effet de l’hélium (influence du taux d’hélium implanté jusqu’à forte dose, de la température, de la présence concomitante d’hydrogène…), produit en REP par des phénomènes de transmutation. Des caractérisations fines (échelle du grain et inférieure), couplées à des simulations en dynamique d’amas seront menées sur des aciers austénitiques inoxydables irradiés aux ions.
Cette étude sera principalement réalisée au Service de Recherche en Matériaux et procédés Avancés (SRMA) et à la Section de Recherches de Métallurgie Physique (SRMP). Elle s’appuiera sur les moyens d’irradiation aux ions (JANNuS), de caractérisations de la microstructure (notamment en Microscopie Electronique en Transmission et Sonde Atomique Tomographique) et de simulation (simulation en dynamique d’amas) disponibles. Elle sera supervisée par M. Legros (CEMES) et T. Jourdan (SRMP) et encadrée au SRMA par J. Malaplate et A. Renault-Laborne (SRMA). Ce large sujet permettra au candidat d’acquérir une formation sur le comportement des matériaux sous irradiation et aussi de solides compétences dans le domaine de la caractérisation microstructurale des matériaux et de la simulation.
Ce sujet s’adresse à un étudiant en science des matériaux, avec des compétences/appétence dans le domaine de la caractérisation et de la simulation des matériaux. Un stage de Master 2 est proposé en amont de ce sujet.
Impact de la microstructure dans le dioxyde d’uranium sur de l’endommagement balistique et électronique
Au cours de l'irradiation en réacteur, les pastilles de combustible subissent une évolution partielle de leur microstructure. Pour des niveaux de combustion élevés, une subdivision des grains en grains plus petits dans les zones périphériques des pastilles combustible - appelée high burn-up structure(HBS) - est observée. Des changements similaires se produisent également dans les zones centrales des pastilles à température élevée. Ces évolutions résultent de la combinaison de plusieurs facteurs, notamment de la perte d'énergie des produits de fission. L'effet de cet endommagement pourrait varier en fonction de l'orientation cristalline et de la taille des grains.
L'objectif principal est donc de comprendre comment l'orientation cristalline et la taille des grains influencent l'endommagement causé par l'irradiation. Des expériences d'irradiation aux ions seront donc menées sur des échantillons d'UO2 monocristallins et polycristallins sur l’installation JANNUS Saclay. Des caractérisations in situ et ex situ par spectrométrie Raman, par rétrodiffusion Rutherford (RBS-C), par microscopies électronique à transmission et à balayage avec diffraction électronique rétrodiffusée (EBSD) seront mises en œuvre.
Simulation du pouvoir d'arrêt électronique pour les irradiations aux ions lourds
L’interaction entre les particules chargées et la matière a été au centre de l’attention des physiciens depuis plus de cent ans. Niels Bohr, Enrico Fermi et tant d’autres ont apporté leur contribution à ce domaine, fondamental pour la physique, mais aussi pour des domaines industriels comme le nucléaire, le photovoltaïque spatial, ou l’électronique. Aujourd’hui le temps des modèles a cédé la place aux calculs réalistes effectuées à l’aide de super-calculateurs.
Nous proposons d’utiliser notre code informatique de mécanique quantique dépendant du temps pour simuler précisément et sans apport de données expérimentales, la perte d’énergie des ions rapides dans la matière condensée. C’est ce qu’on appelle le pouvoir d’arrêt.
En effet, nous savons que les modèles empiriques échouent à prédire le comportement des ions lourds dans les matériaux contenant des éléments légers. L’apport de la simulation numérique sera cruciale pour nos collaborateurs expérimentateurs.