Ingénieur assistant pour la caractérisation des mécanismes de déformation plastique dans les matériaux métalliques fusion des données et automatisation de l'analyse des données expérimentales h/f

Contexte : Les matériaux structurels métalliques/intermétalliques fonctionnant à haute température (650°C-1200°C) dans des environnements sévères sont couramment soumis à une réactivité de surface en service, c'est-à-dire à l'oxydation et à la corrosion. Ce problème est rencontré dans plusieurs applications industrielles, notamment lorsque des températures élevées, des contraintes mécaniques et des atmosphères hautement corrosives sont réunies (centrales électriques, turbines aéronautiques, etc.) [1]. La dégradation assistée par l'environnement modifie à la fois la surface des matériaux et leurs propriétés dans le volume en raison d'une consommation sélective des éléments impliqués dans le processus de dégradation de la surface et/ou de la diffusion d'éléments oxydants (par exemple, couche sub-surfacique appauvrie en précipités durcissants pour les superalliages à base de nickel en raison de la consommation d'aluminium pour former de l'Al2O3, etc. [2, 3], couche fragile enrichie en oxygène/azote dans les alliages de Ti et TiAl en raison de la solubilité de O et N [4, 5], etc.). Le matériau affecté par l'oxydation présente ainsi un gradient de composition chimique, de microstructure et de propriétés physiques. Ce gradient de microstructure et de propriétés évolue avec le temps en raison des processus de croissance et de diffusion des oxydes. Chaque famille de matériaux métalliques/intermétalliques réagit différemment à la corrosion dite "sous contrainte", mais aussi à la déformation corrosive/oxydative. Cependant, tous les matériaux sont potentiellement affectés par ces mécanismes en raison des effets concomitants de la réactivité de surface, de l'évolution de la microstructure et de la déformation. Malgré l'échelle négligeable des gradients physiques, chimiques et métallurgiques (de 0,1 à 100 micromètres sous la surface) par rapport aux dimensions des composants structurels, la variabilité du comportement mécanique au sein du gradient entraîne souvent des dommages prématurés et la rupture progressive du composant [6]. Cette évolution et cette dégradation des matériaux pourraient être incluses dans ce qu'on appelle la "fissuration assistée par la corrosion sous contrainte", étudiée depuis des décennies pour tous les matériaux structurels utilisés à haute température. Cependant, les motivations industrielles et écologiques pour utiliser les matériaux structurels dans des conditions de plus en plus extrêmes et sévères les poussent à leurs limites de performance. La synergie opérant entre la localisation des déformations inter- et intragranulaires et les processus de réactivité/diffusion de surface favorise les dommages inattendus et la grande variabilité de la durée de vie des composants structurels exposés à des "températures trop élevées - contraintes trop fortes (cycliques et/ou constantes)" [7]. Une meilleure compréhension des mécanismes élémentaires thermo-mécano-chimiques responsables des dommages précoces à l'échelle microscopique est nécessaire. Motivations du projet : Pour aborder ce point, HT-S4DefOx, un projet financé par le Conseil européen de la recherche (ERC - Starting Grant), vise à : - Evaluer le comportement mécanique au sein du gradient évolutif dans le temps de la microstructure et des propriétés, c'est-à-dire au sein du matériau "sub-surfacique" (approche micro- et méso-échelle) ; - Evaluer la variabilité du comportement mécanique du matériau métallique au voisinage de l'interface métal/oxyde (approche à micro-échelle). Cette interface, considérée comme la "surface extrême", est en première ligne pour le couplage thermo-mécano-chimique ; - Modéliser et simuler le couplage thermo-mécano-chimique sur des microstructures et des propriétés évoluant dans le temps du matériau "sub-surface" avec des conditions aux limites sur la "surface extrême" adapté de la référence [8]. References : 1. Young DJ (2016) High temperature oxidation and corrosion of metals, 2nd Ed. Elsevier Science 2. Bensch M, Preußner J, Hüttner R, et al (2010) Modelling and analysis of the oxidation influence on creep behaviour of thin-walled structures of the single-crystal nickel-base superalloy René N5 at 980 °C. Acta Mater 58:1607-1617. doi:10.1016/j.actamat.2 3. Cassenti B, Staroselsky A (2009) The effect of thickness on the creep response of thin-wall single crystal components. Mater Sci Eng A 508:183-189. doi:10.1016/j.msea.2 4. Finlay WL, Snyder JA (1950) Effects of three interstitial solutes (nitrogen, oxygen, and carbon) on the mechanical properties of high-purity, alpha titanium. JOM 2:277-286. doi:10.1007/BF 5. Barkia B, Doquet V, Couzinié JP, et al (2015) In situ monitoring of the deformation mechanisms in titanium with different oxygen contents. Mater Sci Eng A 636:91-102. doi:10.1016/j.msea.2 6. Pineau A, Antolovich SD (2009) High temperature fatigue of nickel-base superalloys - A review with special emphasis on deformation modes and oxidation. Eng Fail 16:2668-2697. doi:10.1016/j.engfailanal.2 7. Stinville JC, Echlin MP, Callahan PG, et al (2017) Measurement of strain localization resulting from monotonic and cyclic loading at 650 C in nickel base superalloys. Exp Mech 57:1289-1309. doi:10.1007/s11340--y 8. De Rancourt V, Ammar K, Appolaire B, Forest S (2016) Homogenization of viscoplastic constitutive laws within a phase field approach. J Mech Phys Solids 88:291-319. doi:10.1016/j.jmps.2 Description du projet de thèse : Ce projet de thèse se concentrera sur la mise en oeuvre d'un modèle thermo-mécano-chimique et de simulations d'agrégats polycristallins 2D puis 3D. Le matériau modélisé présentera un gradient évolutif dans le temps de composition chimique, de microstructure, et - par conséquence - de propriétés mécaniques du à l'effet concomitant de la déformation localisée et de la réactivité de surface. Une description fiable et des simulations prédictives du gradient de microstructure sont nécessaires pour une bonne prédiction des propriétés mécaniques locales. Pour le cadre des éléments finis, la plasticité cristalline à gradient de déformation basée sur les densités de dislocation sera utilisée, y compris la plasticité anisotrope et la dépendance de la taille de l'activité plastique des matériaux à base de Ni et de Ti soumis à l'oxydation. Les propriétés mécaniques locales seront évaluées à l'aide de techniques avancées telles que la nanoindentation, la microtraction et la microcompression. Ces travaux seront réalisés en collaboration avec un autre étudiant en doctorat et des chercheurs postdoctoraux. La simulation numérique de l'essai d'indentation visera à corréler les propriétés de dureté et de module réduit à l'intérieur des grains avec la contribution de l'orientation des grains et de la chimie locale. Les simulations sur les agrégats seront confrontées à des essais mécaniques avec mesure de champ cinématique en utilisant des techniques de corrélation d'images numériques à haute résolution (CIN-HR) à partir d'analyses de surface. Dans le cadre de ce projet de thèse, le doctorant devra : - Simuler des essais de nanoindentation sur des matériaux anisotropes afin d'identifier les propriétés élasto-plastiques ; - Comparer ces simulations avec des données expérimentales obtenues sur des matériaux polycristallins à base de Ni et de Ti, soumis ou non à l'oxydation ; - Développer une analyse par éléments finis couplée à un champ de phase sur des agrégats 2D ; - Développer une analyse par éléments finis couplée à un champ de phase sur des agrégats 3D ; - Simuler des essais de traction sur des agrégats polycristallins 3D non oxydés et comparer les résultats avec les champs cinématiques obtenus par CIN-HR ; - Simuler des essais de traction sur des agrégats polycristallins 3D oxydés et comparer les résultats avec les champs cinématiques obtenus à l'aide de CIN-HR ; - Discriminer l'effet de la localisation des déformations sur la microstructure "sub-surfacique" affectée par les contraintes ET la réactivité de surface.
Missions
Dans les matériaux métalliques polycristallins, l'évaluation quantitative et statistique de l'activité plastique en relation avec les paramètres microstructuraux (taille des grains, phases, état de précipitation, etc.) et les conditions environnementales (haute température, atmosphère oxydante, etc.) est essentielle pour comprendre les mécanismes de déformation en relation avec les contraintes mécaniques et les chemins de contrainte. La déformation plastique est souvent localisée sous forme de bandes à l'intérieur des grains, appelées bandes de glissement, qui apparaissent et persistent pendant le chargement, reflétant le mouvement collectif des dislocations. Ces bandes de localisation de la déformation plastique et leur évolution en fonction de la microstructure lors de la déformation du matériau sont susceptibles d'être à l'origine de l'endommagement. Il est donc nécessaire de pouvoir cartographier précisément la localisation de la déformation au sein des agrégats polycristallins afin d'identifier les configurations critiques pouvant conduire à l'initiation de fissures, et de comprendre quels sont les facteurs à l'origine de ces mécanismes de déformation.
Différentes techniques expérimentales permettent aujourd'hui de mesurer les champs de déformation et d'appréhender la localisation de la plasticité. Elles nécessitent généralement l'utilisation de systèmes d'imagerie à haute résolution, tels que le microscope électronique à balayage (MEB), la microscopie confocale à balayage laser (LSCM), la microscopie à force atomique (AFM), etc. L'utilisation couplée du MEB et de la corrélation d'images numériques (CIN) est souvent utilisée et décrite comme une approche efficace pour la détermination expérimentale des champs de déformation à l'échelle de la microstructure. Le principe repose sur la mesure du champ de déplacement de la surface d'un échantillon soumis à une charge à partir de deux images acquises à deux instants de charge distincts (généralement un état de référence non déformé et un état déformé). L'utilisation d'un motif de speckle est généralement nécessaire pour suivre la même zone d'intérêt entre les deux états considérés. En dérivant les champs de déplacement, cette technique permet ensuite d'extraire les champs de déformation continus dans l'agrégat polycristallin. Il est ainsi possible d'observer des bandes de glissement, localisées sous forme de traces discontinues à la surface des métaux déformés.
En outre, l'EBSD (Electron BackScatter Diffraction) est une technique d'analyse cristallographique également utilisée en conjonction avec le MEB pour obtenir des informations sur l'orientation locale du réseau cristallin et, par conséquent, une série d'informations sur la microstructure : taille et morphologie des grains, joints de grains, désorientations entre grains voisins ou dans le coeur du grain si l'échantillon a été déformé. Les analyses EBSD à haute résolution nous permettent également d'observer les bandes de glissement, la micro-rotation et la déformation élastique, en tant qu'analyse complémentaire de la technique HR-DIC.
Comme la plupart de ces techniques de caractérisation sont réalisées dans des conditions différentes et génèrent des données de formats et de tailles différents pour le même échantillon observé, diverses bases de code (Matlab, Python, logiciels d'analyse commerciaux) sont utilisées pour le post-traitement et l'analyse de chaque type de données. À ce jour, il n'existe pas de méthode unifiée pour le traitement automatisé et corrélatif de ces données multimodales (c'est-à-dire provenant de différentes techniques expérimentales). Or, l'identification des paramètres des modèles de plasticité cristalline est essentielle pour comprendre et prédire le comportement hétérogène des alliages, et notamment ceux de titane, à l'échelle microscopique. C'est pourquoi, l'objectif de ce projet sera l'assimilation des données et l'identification des paramètres descriptifs de la plasticité cristalline pour en permettre la simulation de la plasticité cristalline d'agrégats 3D correspondants.

Activités
L'objectif du projet est de progresser vers la mise en place d'une chaîne d'analyse unifiée dédiée au post-traitement des données de caractérisation (en l'occurrence DIC et EBSD) d'un matériau métallique. Pour cela, le candidat devra être capable de mettre en oeuvre ces techniques de caractérisation sur des échantillons sollicités mécaniquement en traction, fatigue, fluage, de post-traiter les données obtenues et de développer des scripts (Python) pour automatiser la fusion et l'analyse afin de qualifier et quantifier les mécanismes de déformation de l'alliage métallique étudié. Le matériau étudié sera un alliage de titane microallié à l'oxygène. Un alliage de titane présentant un gradient de concentration d'oxygène sera également utilisé dans le cadre applicatif. Au-delà de la caractérisation expérimentale de la plasticité à l'échelle de la microstructure, le transfert vers un modèle numérique sera d'intérêt de manière à pouvoir prédire le comportement et l'intégrité mécanique d'alliages de titane à visée structurelle soumis à des atmosphères oxydantes.
Ce projet exploratoire interagira avec les travaux de thèse actuellement en cours au laboratoire de l'ICA dans le cadre du projet ERC-SG HT-S4DefOx. Le candidat sera accueilli dans le laboratoire, où il pourra interagir avec les étudiants en doctorat et les membres permanents de l'équipe de recherche. En particulier, le candidat sera impliqué dans des essais mécaniques avec un suivi optique/électronique pour la corrélation d'images numériques, générant ainsi les données nécessaires à la réalisation du projet. L'assimilation des données expérimentales en champ complet (DIC) permettra également le jumeau numérique des agrégats polycristallins étudiés.
Compétences

- intérêt marqué pour la science des matériaux (matériaux métalliques)
- aimer travailler avec les matériaux : effectuer des essais de traction, utiliser des outils de caractérisation
- connaissance du langage de programmation Python : post-traitement de données expérimentales, analyse d'images
- curiosité ou désir d'entrer dans le monde de la recherche
- intérêt marqué pour la science des matériaux (matériaux métalliques)
- aimer travailler avec les matériaux : effectuer des essais de traction, utiliser des outils de caractérisation
- connaissance du langage de programmation Python : post-traitement de données expérimentales, analyse d'images
- curiosité ou désir d'entrer dans le monde de la recherche
Contexte de travail

L'Institut Clément Ader (ICA, CNRS UMR 5312). L'ICA est un laboratoire de recherche qui s'attache à l'étude des structures, des systèmes et des procédés mécaniques. Nos secteurs d'activités s'inscrivent dans ceux des industries mécaniques avec une attention particulière accordée aux projets des domaines de l'aéronautique, de l'espace, du transport et de l'énergie. Nos travaux portent généralement sur la modélisation du comportement, l'instrumentation et l'étude de la durabilité des structures ou produits considérés. Une part importante de nos recherches porte sur les matériaux composites, lesquels prennent aujourd'hui une place importante dans les structures. L'ICA regroupe environ 80 enseignants chercheurs, 20 chercheurs temporaires, 20 BIATSS, 90 doctorants, ainsi que de nombreux stagiaires. Avec la particularité de compter : - au niveau des tutelles, des personnels appartenant à quatre grands établissements : UPS et INSA du Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche, ISAE du Ministère de la Défense, Mines Albi du Ministère de l'Industrie, - au niveau géographique, des personnels répartis dans quatre villes de la région Midi-Pyrénées : Albi, Figeac, Tarbes et Toulouse. La direction est composée d'un directeur et de deux directeurs-adjoints, les trois ministères de tutelle étant représentés dans ce trio. L'équipe de soutien technique (personnels BIATSS) est organisée en trois composantes, une pour chaque ministère. Le laboratoire est organisé en quatre groupes de recherche : - Groupe MSC : Matériaux et Structures Composites - Groupe SUMO : Surface, Usinage, Matériaux et Outillages - Groupe MS2M : Modélisation des Systèmes et Microsystèmes Mécaniques - Groupe MICS : Métrologie, Identification, Contrôle et Surveillance Les compétences recherchées de l'ingénieur sont centrées sur la compréhension des mécanismes physiques et chimiques responsable du comportement thermomécanique des matériaux, notamment aux petites échelles et sujet à des environnements complexes (environnement oxydant, ambiances thermiques extrêmes, etc.). Les études autour de la thématique micromécanique nécessitent de définir, concevoir et développer les techniques de caractérisations vers les petites échelles. Qui plus est, l'ingénieur d'études participera aux activités sur la mesure de champs cinématiques aux petites échelles à hautes températures et à l'implémentation numérique de la plasticité cristalline sur agrégats réels. Le/La titulaire du poste aura ainsi pour missions principales d'accompagner cette évolution des activités de recherche de l'ICA en contribuant à la production de résultats expérimentaux en lien avec la caractérisation du comportement thermo-mécanique aux petites échelles en environnements oxydants sur alliages de titane. La localisation des travaux sera sur : Institut Clément Ader (ICA) - UMR CNRS 5312, 3, rue Caroline Aigle, 31400 Toulouse, France

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.
L'Institut Clément Ader (ICA, CNRS UMR 5312). L'ICA est un laboratoire de recherche qui s'attache à l'étude des structures, des systèmes et des procédés mécaniques. Nos secteurs d'activités s'inscrivent dans ceux des industries mécaniques avec une attention particulière accordée aux projets des domaines de l'aéronautique, de l'espace, du transport et de l'énergie. Nos travaux portent généralement sur la modélisation du comportement, l'instrumentation et l'étude de la durabilité des structures ou produits considérés. Une part importante de nos recherches porte sur les matériaux composites, lesquels prennent aujourd'hui une place importante dans les structures. L'ICA regroupe environ 80 enseignants chercheurs, 20 chercheurs temporaires, 20 BIATSS, 90 doctorants, ainsi que de nombreux stagiaires. Avec la particularité de compter : - au niveau des tutelles, des personnels appartenant à quatre grands établissements : UPS et INSA du Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche, ISAE du Ministère de la Défense, Mines Albi du Ministère de l'Industrie, - au niveau géographique, des personnels répartis dans quatre villes de la région Midi-Pyrénées : Albi, Figeac, Tarbes et Toulouse. La direction est composée d'un directeur et de deux directeurs-adjoints, les trois ministères de tutelle étant représentés dans ce trio. L'équipe de soutien technique (personnels BIATSS) est organisée en trois composantes, une pour chaque ministère. Le laboratoire est organisé en quatre groupes de recherche : - Groupe MSC : Matériaux et Structures Composites - Groupe SUMO : Surface, Usinage, Matériaux et Outillages - Groupe MS2M : Modélisation des Systèmes et Microsystèmes Mécaniques - Groupe MICS : Métrologie, Identification, Contrôle et Surveillance Les compétences recherchées de l'ingénieur sont centrées sur la compréhension des mécanismes physiques et chimiques responsable du comportement thermomécanique des matériaux, notamment aux petites échelles et sujet à des environnements complexes (environnement oxydant, ambiances thermiques extrêmes, etc.). Les études autour de la thématique micromécanique nécessitent de définir, concevoir et développer les techniques de caractérisations vers les petites échelles. Qui plus est, l'ingénieur d'études participera aux activités sur la mesure de champs cinématiques aux petites échelles à hautes températures et à l'implémentation numérique de la plasticité cristalline sur agrégats réels. Le/La titulaire du poste aura ainsi pour missions principales d'accompagner cette évolution des activités de recherche de l'ICA en contribuant à la production de résultats expérimentaux en lien avec la caractérisation du comportement thermo-mécanique aux petites échelles en environnements oxydants sur alliages de titane. La localisation des travaux sera sur : Institut Clément Ader (ICA) - UMR CNRS 5312, 3, rue Caroline Aigle, 31400 Toulouse, France

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.
Contraintes et risques

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