Segrégations aux Joints de Grains et Croissance des Grains d'Austénite Influence des Éléments Résiduels Provenant du Recyclage des Aciers H/F
Le premier objectif sera méthodologique et visera à comparer les techniques de caractérisation de la ségrégation à l'équilibre aux joints de grains. Cette approche analytique est difficile en raison de la faible concentration d'éléments résiduels et de l'échelle d'observation. Elle nécessite le développement de nouvelles méthodologies basées sur des techniques d'imagerie complémentaires combinant haute sensibilité, haute résolution spatiale et représentativité statistique. À l'heure actuelle, la technique de référence est la sonde atomique tomographique (SAT) [3], mais elle manque de représentativité statistique. C'est pour cette raison que le potentiel du nano-SIMS [4], du SAM/AES et du MET [5] sera comparé à la SAT dans cette étude. L'objectif scientifique est de parvenir à une meilleure connaissance des mécanismes de ségrégation aux joints de grains austénitiques des alliages (énergie de ségrégation) mais aussi d'identifier les compétitions possibles entre les éléments (y compris les principaux éléments d'alliage tels que C, Mn ou Cr). Cette connaissance de la ségrégation des éléments résiduels servira ensuite de base pour mieux comprendre leurs effets possibles sur la mobilité des joints de grains (croissance des grains austénitiques). Dans ce contexte, l'EBSD et la microscopie confocale [6] seront des outils clés.
Le deuxième objectif de la thèse sera de développer des modèles physiques pour la ségrégation des éléments résiduels aux joints de grains d'austénite et pour la croissance des grains d'austénite [6, 7]. Ces modèles seront couplés à d'autres modèles traitant de la décomposition de l'austénite lors du refroidissement et de la relation microstructure finale / propriétés. L'objectif final d'OPTISCRAPS est de parvenir à une à une chaîne de modélisation des processus métallurgiques dans la filière aval de production d'acier, avec la prise en compte des éléments résiduels.
La thèse sera conduite en interaction avec les autres laboratoires participant à OPTISCRAPS et plus particulièrement avec les deux autres thèses mentionnées ci-dessus. Une partie importante de l'étude sera réalisée au GPM (Rouen) pour conduire et analyser les expériences de SAT.
Références
[1] Marique, C. Tramp elements and steel properties : a progress state of the European megaproject on scrap recycling. Revue de Metallurgie 97 (1997) 74-75.
[2] Raabe, D., Tasan, C. C., Olivetti, E. A. Strategies for improving the sustainability of structural metals. Nature 575(7781) (2019) 64-74. https://doi.org/10.1038/s41586--5
[3] Danoix, F., Sauvage, X., Huin, D., Germain, L., Gouné, M. A direct evidence of solute interactions with a moving ferrite/austenite interface in a model Fe-C-Mn alloy. Scripta Materialia 121 (2016)
61-65. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2
[4] Da Rosa, G., Maugis, P., Portavoce, A., Drillet, J., Valle, N., Lentzen, E., Hoummada, K. Grain-boundary segregation of boron in high-strength steel studied by nano-SIMS and atom probe tomography. Acta Materialia 182 (2020) 226-234. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2
[5] Ledieu, J., Feuerbacher, M., Thomas, C., de Weerd, M. C., Šturm, S., Podlogar, M., Ghanbaja J., Migot S., Sicot M, Fournée, V. The (110) and (320) surfaces of a Cantor alloy. Acta Materialia 209 (2021) 116790. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2
[6] Kern M., Bernhard M., Bernhard C., Kang Y-B. Grain boundary mobility of -Fe in high-purity iron during isothermal annealing. Scripta Materialia 230 (2023) 115431. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2
[7] Dépinoy, S., Marini, B., Toffolon-Masclet, C., Roch, F., & Gourgues-Lorenzon, A. F. Austenite Grain Growth in a 2.25Cr-1Mo Vanadium-Free Steel Accounting for Zener Pinning and Solute Drag : Experimental Study and Modeling. Metallurgical and Materials Transactions A 48 (2017) 2289-2300. https://doi.org/10.1007/s11661--4.
Contexte de travail
L'industrie sidérurgique, qui est l'un des principaux responsables des émissions de CO2, a pour objectif de réduire ses émissions à près de 0 % d'ici 2050 (neutralité carbone). L'un des principaux moyens pour atteindre cet objectif sera d'augmenter la production d'acier à base de ferraille par des fours électriques à arc. Le développement du recyclage de l'acier augmentera la présence d'éléments résiduels (Mo, Cr, Ni, Cu, Sn, As, Sb, entre autres) qui ne peuvent être éliminés par les technologies existantes d'affinage des métaux liquides. Ces éléments résiduels ont un impact notable sur le développement des microstructures tout au long du processus et, par la suite, sur les propriétés finales de l'acier [1]. Actuellement, on manque de connaissances pour optimiser la conception, le traitement et les propriétés des produits sidérurgiques en présence d'éléments résiduels [2].
L'objectif du projet OPTISCRAPS (ANR - PEPR DIADEM www.pepr-diadem.fr), qui débutera en 2024, est de combler cette lacune. Le projet se concentrera sur le recuit (chauffage jusqu'au domaine austénitique suivi d'un refroidissement) de tôles d'acier laminées à froid pour la fabrication d'aciers à haute résistance. Il réunira ArcelorMittal (Centre de recherche de Maizières-Lès-Metz) et plusieurs laboratoires : IJL (Nancy), SIMAP (Grenoble), GPM (Rouen), PIMM (Paris), UMET (Lille), LIST (Luxembourg). Trois thèses seront lancées pour étudier les effets des éléments résiduels à différents stades du processus :
- Ségrégation et croissance des grains d'austénite. C'est l'offre actuelle, qui est détaillée ci-dessous.
- Décomposition de l'austénite lors du refroidissement.
- Relation microstructure-propriétés.
La stratégie scientifique d'OPTISCRAPS comprend les étapes suivantes (Figure 1).
- Utiliser des méthodes expérimentales à haut débit pour explorer les nombreuses combinaisons possibles de ces éléments résiduels, leurs effets respectifs et leurs interactions. Ceci inclut d'abord l'élaboration d'échantillons à gradients pour un ou plusieurs éléments (couple de diffusion ou fabrication additive). Ensuite, la cinétique des transformations de phase sera suivie in situ par des expériences de XRD à haute énergie sur des lignes de faisceaux synchrotron.
- Caractériser mécaniquement et chimiquement les différentes microstructures produites en couplant différentes techniques de pointe.
- Développer des métamodèles métallurgiques hybrides qui relient les processus, les microstructures et les propriétés. Ces modèles sont basés sur la physique mais améliorés par des méthodes d'apprentissage automatique qui combinent les performances numériques et prédictives.
La localisation principale sera à l'IJL (Nancy) et dans l'équipe de recherche "Microstructures et Contraintes", qui est spécialisée dans l'étude des transformations de phase à l'état solide dans les alliages métalliques. Des séjours réguliers de plusieurs mois sont prévus au GPM (Rouen).
La thèse sera dirigée à l'IJL par Julien Teixeira (CR CNRS) et co-encadrée par Julian Ledieu (DR CNRS). Elle sera co-encadrée au GPM par Frédéric Danoix (CR CNRS).
Des voyages et des échanges scientifiques avec d'autres partenaires sont prévus dans le cadre du projet OPTISCRAPS.
Le doctorant aura accès à toutes les ressources expérimentales de l'IJL (microscopie Auger, MET, microscopie confocale, EBSD) et du GPM (Sonde Atomique Tomographique). Il/elle participera également à des expériences de nanoSIMS au LIST.
L'Institut Jean Lamour (IJL) est une unité mixte de recherche du CNRS et de l'Université de Lorraine. Il est rattaché à l'Institut de Chimie du CNRS. Spécialisé en science et ingénierie des matériaux et des procédés, il couvre les champs suivants : matériaux, métallurgie, plasmas, surfaces, nanomatériaux, électronique.
L'IJL compte 263 permanents (30 chercheurs, 134 enseignants-chercheurs, 99 IT-BIATSS) et 394 non-permanents (182 doctorants, 62 post-doctorants / chercheurs contractuels et plus de 150 stagiaires), de 45 nationalités différentes. Il collabore avec plus de 150 partenaires industriels et ses collaborations académiques se déploient dans une trentaine de pays. Son parc instrumental exceptionnel est réparti sur 4 sites dont le principal est situé sur le campus ARTEM à Nancy.
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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Informations complémentaires
Titulaire d'un diplôme d'ingénieur ou d'un Master 2 en Science et ingénierie des matériaux/métallurgie.
Bonne connaissance des transformations de phase à l'état solide dans les alliages métalliques.
Une expérience en caractérisation des matériaux serait appréciée.
Maîtrise de l'anglais, de la rédaction et de la communication orale.