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Développement de méthodes et d’analyses pour l’étude de la ténacité sur petites éprouvettes

ABG-74758 Stage master 2 / Ingénieur 5 mois
11/01/2018
commissariat energie atomique
saclay Ile-de-France France
  • Sciences de l’ingénieur
mécanique, matériaux, rupture, expérience, simulation
01/02/2018

Établissement recruteur

Site web :

www.cea.fr

Le CEA est un acteur majeur de la recherche,  du développement et de l'innovation.
Organisme public de recherche, le CEA intervient dans quatre domaines : la défense et la sécurité, les énergies nucléaire et renouvelables, la recherche technologique pour l'industrie et la recherche fondamentale (sciences de la matière et sciences de la vie).

Description

Stage et thèse 

 

Développement de méthodes et d’analyses pour l’étude de la ténacité sur petites éprouvettes :
application aux matériaux constitutifs des structures de l’échangeur de chaleur sodium / gaz
pour le prototype de réacteur de IVième génération ASTRID
et la justification de fonctionnement à 60 ans

 

 

Profils rechercher : Master 2 / ingénieur en mécanique / matériaux

 

Encadrants : J. Garnier, B. Marini (CEA de Saclay DEN/DMN/SRMA)

Directeur de thèse : J. Besson (Mines de Paris)

 

**Contexte de l’étude :

Le CEA est un acteur majeur du développement des réacteurs nucléaires de IVième génération au plan national et international. Fort d’un retour expérience très important (Phénix, SuperPhénix), le CEA a choisi de mettre en œuvre le concept de réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium pour la conception du prototype ASTRID. Ce réacteur de technologie innovante disposera d’un circuit intermédiaire à caloporteur sodium et d’un système d’échangeur de chaleur sodium / gaz. Cet échangeur est constitué de modules en acier inoxydable austénitique type 316L(N) avec des canaux à parois minces assurant l’échange entre le sodium primaire et le gaz caloporteur. La température de fonctionnement sera de l’ordre de 600°C dans la partie la plus chaude. Cet échangeur est inséré dans une Enceinte Sous Pression Nucléaire (ESPN) fonctionnant à 180 bars à une température comprise entre 400°C et 550°C. La durée de fonctionnement visée pour cette enceinte est de 60 ans. Compte de ses bonnes propriétés en fluage, un acier type 15CD9-10 (2,25Cr-1Mo) à haute résistance est envisagé pour la fabriquer.

L’arrêté ESPN impose de garantir que les alliages soient ductiles et tenaces durant l’ensemble de la durée de fonctionnement. A l’état de réception, ces deux alliages présentent de très bonnes propriétés en ténacité. A la température de service, la microstructure des aciers évoluent et les propriétés mécaniques s’en trouvent modifiées. La vérification qu’une ténacité suffisante est obtenue durant toute la durée de fonctionnement est à la base de la démonstration d’intégrité en condition incidentelles ou accidentelles.

Du fait de la longue durée de vie et de la forte épaisseur des structures de l’industrie nucléaire, et afin de garantir l’intégrité des structures, la communauté effectue de nombreuses caractérisations sur de la mécanique de la rupture via la réalisation d’essais de ténacité sur des éprouvettes pré-fissurées. Malgré le coût et la difficulté de réalisation de ces essais, ceux-ci complètent les essais conventionnels de résilience en donnant des grandeurs directement utilisables pour le dimensionnement.

Pour obtenir ces mesures de ténacité du matériau, il est souvent nécessaire d’utiliser des éprouvettes de la plus grande dimension possible afin d’assurer des conditions de mécaniques proche ou de sévérité enveloppe de celle de la structure et aussi de garantir lors de l’essai les conditions de confinement plastique permettant de vérifier les conditions de validité de l’essai.

Néanmoins, il n’est pas toujours possible et même souhaitable de prélever des éprouvettes de grandes dimensions pour plusieurs raisons : i) coût de la matière, ii) quantité de matière disponible, iii) nécessité d’avoir un nombre suffisant d’essais pour avoir une bonne statistique, iv) épaisseur du produit trop faible, v) hétérogénéité de la microstructure héritée du processus de fabrication. La maitrise des essais de ténacité sur des éprouvettes de dimension réduite est donc un enjeu majeur pour la validation des matériaux des nouvelles filières.

 

**Objectif général :

Etablir une méthodologie permettant la caractérisation de ténacité d’un matériau de faible épaisseur avant et après un vieillissement thermique.

 

 

 

**Objectif appliqué :

Cette étude est de caractère générique et a donc comme objectif principal le développement et la mise œuvre de méthodes expérimentales et d’analyses pour la détermination de la ténacité sur des petites éprouvettes. Cette méthodologie sera ensuite appliquée à deux matériaux présentant des mécanismes de rupture différents, et visera à identifier les mécanismes de rupture à l’état neuf et vieilli. Deux matériaux d’intérêt pour le nucléaire ont été retenus : aciers 316L (N) et 15CD9-10. Ces matériaux seront approvisionnés sous forme de produits épais permettant de prélever à la fois des éprouvettes de grandes et de petites dimensions. Des vieillissements thermiques accélérés permettront de simuler les conditions en service jusqu’à des durées de fonctionnement de 60 ans.

Le lien entre microstructure et propriété mécanique sera la base du développement méthodologique. Cela nécessite, en premier lieu, la mise en œuvre de moyens de caractérisation métallurgique des microstructures et des mécanismes d’endommagement et de rupture comme les examens en microscopie électronique et l’analyse cristallographique (EBSD). Des simulations par la méthode des éléments finis seront également mises en œuvre pour appréhender les conditions mécaniques régnant dans les différentes géométries d’éprouvettes considérées. Ces simulations serviront à l’optimisation de la méthodologie sur la base des mécanismes identifiées.

 

**Titre anglais:

Development of methods and analyzes for measurement of the fracture toughness on thin specimens: application to the materials of the sodium / gas heat exchanger structures for the 4th generation reactor prototype ASTRID and the justification of operation at 60 years.

 

**Résumé en anglais

In order to guarantee the integrity of structures, fracture mechanic tests on pre-cracked specimens are often used to measure the fracture toughness. Despite the cost and difficulty of carrying out these tests, these tests complete the conventional impact fracture tests done on notched specimen by providing directly usable quantities for design.

To obtain these toughness measurements, it is often necessary to use specimens of the largest possible size in order to ensure mechanical conditions that are close to or more conservative than those of the structure.

Nevertheless, it is not always possible and even desirable to take thick specimens for several reasons (thickness of the product too low, heterogeneity of the microstructure inherited from the manufacturing process, etc.).

The purpose of this generic study is to develop experimental methods and analyzes for the measurement of toughness on thin specimens. This methodology will then be applied to two materials with different fracture mechanisms, and will aim to identify the mechanisms of the fracture. The link between microstructure and mechanical properties will be the basis of methodological development.

 

**modalités

  • Lieu : basé au CEA de Saclay avec des collaborations régulières au centre des matériaux de l’école des mines à Evry
  • Salaire stage : Compris entre 659€ et 1164€ net en fonction du master / école d’ingénieur d’origine (possibilité d’une participation à l’hébergement de 229€ pour les étudiants résidants en province)
  • Salaire thèse :  2043€ brut
  • Délais enquête : entre 1 et 3 mois (une enquête est nécessaire avant le début du contrat)
  • Début de la thèse souhaitée : octobre 2018
  • Contact : Jérôme Garnier 01 69 08 22 79

Possibilité de faire un stage sur le même sujet en préalable de la thèse.

Développement de méthodes et d’analyses pour l’étude de la ténacité sur petites éprouvettes :
application aux matériaux constitutifs des structures de l’échangeur de chaleur sodium / gaz
pour le prototype de réacteur de IVième génération ASTRID
et la justification de fonctionnement à 60 ans

 

 

Profils rechercher : Master 2 / ingénieur en mécanique / matériaux

 

Encadrants : J. Garnier, B. Marini (CEA de Saclay DEN/DMN/SRMA)

Directeur de thèse : J. Besson (Mines de Paris)

 

**Contexte de l’étude :

Le CEA est un acteur majeur du développement des réacteurs nucléaires de IVième génération au plan national et international. Fort d’un retour expérience très important (Phénix, SuperPhénix), le CEA a choisi de mettre en œuvre le concept de réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium pour la conception du prototype ASTRID. Ce réacteur de technologie innovante disposera d’un circuit intermédiaire à caloporteur sodium et d’un système d’échangeur de chaleur sodium / gaz. Cet échangeur est constitué de modules en acier inoxydable austénitique type 316L(N) avec des canaux à parois minces assurant l’échange entre le sodium primaire et le gaz caloporteur. La température de fonctionnement sera de l’ordre de 600°C dans la partie la plus chaude. Cet échangeur est inséré dans une Enceinte Sous Pression Nucléaire (ESPN) fonctionnant à 180 bars à une température comprise entre 400°C et 550°C. La durée de fonctionnement visée pour cette enceinte est de 60 ans. Compte de ses bonnes propriétés en fluage, un acier type 15CD9-10 (2,25Cr-1Mo) à haute résistance est envisagé pour la fabriquer.

L’arrêté ESPN impose de garantir que les alliages soient ductiles et tenaces durant l’ensemble de la durée de fonctionnement. A l’état de réception, ces deux alliages présentent de très bonnes propriétés en ténacité. A la température de service, la microstructure des aciers évoluent et les propriétés mécaniques s’en trouvent modifiées. La vérification qu’une ténacité suffisante est obtenue durant toute la durée de fonctionnement est à la base de la démonstration d’intégrité en condition incidentelles ou accidentelles.

Du fait de la longue durée de vie et de la forte épaisseur des structures de l’industrie nucléaire, et afin de garantir l’intégrité des structures, la communauté effectue de nombreuses caractérisations sur de la mécanique de la rupture via la réalisation d’essais de ténacité sur des éprouvettes pré-fissurées. Malgré le coût et la difficulté de réalisation de ces essais, ceux-ci complètent les essais conventionnels de résilience en donnant des grandeurs directement utilisables pour le dimensionnement.

Pour obtenir ces mesures de ténacité du matériau, il est souvent nécessaire d’utiliser des éprouvettes de la plus grande dimension possible afin d’assurer des conditions de mécaniques proche ou de sévérité enveloppe de celle de la structure et aussi de garantir lors de l’essai les conditions de confinement plastique permettant de vérifier les conditions de validité de l’essai.

Néanmoins, il n’est pas toujours possible et même souhaitable de prélever des éprouvettes de grandes dimensions pour plusieurs raisons : i) coût de la matière, ii) quantité de matière disponible, iii) nécessité d’avoir un nombre suffisant d’essais pour avoir une bonne statistique, iv) épaisseur du produit trop faible, v) hétérogénéité de la microstructure héritée du processus de fabrication. La maitrise des essais de ténacité sur des éprouvettes de dimension réduite est donc un enjeu majeur pour la validation des matériaux des nouvelles filières.

 

**Objectif général :

Etablir une méthodologie permettant la caractérisation de ténacité d’un matériau de faible épaisseur avant et après un vieillissement thermique.

 

 

 

**Objectif appliqué :

Cette étude est de caractère générique et a donc comme objectif principal le développement et la mise œuvre de méthodes expérimentales et d’analyses pour la détermination de la ténacité sur des petites éprouvettes. Cette méthodologie sera ensuite appliquée à deux matériaux présentant des mécanismes de rupture différents, et visera à identifier les mécanismes de rupture à l’état neuf et vieilli. Deux matériaux d’intérêt pour le nucléaire ont été retenus : aciers 316L (N) et 15CD9-10. Ces matériaux seront approvisionnés sous forme de produits épais permettant de prélever à la fois des éprouvettes de grandes et de petites dimensions. Des vieillissements thermiques accélérés permettront de simuler les conditions en service jusqu’à des durées de fonctionnement de 60 ans.

Le lien entre microstructure et propriété mécanique sera la base du développement méthodologique. Cela nécessite, en premier lieu, la mise en œuvre de moyens de caractérisation métallurgique des microstructures et des mécanismes d’endommagement et de rupture comme les examens en microscopie électronique et l’analyse cristallographique (EBSD). Des simulations par la méthode des éléments finis seront également mises en œuvre pour appréhender les conditions mécaniques régnant dans les différentes géométries d’éprouvettes considérées. Ces simulations serviront à l’optimisation de la méthodologie sur la base des mécanismes identifiées.

 

**Titre anglais:

Development of methods and analyzes for measurement of the fracture toughness on thin specimens: application to the materials of the sodium / gas heat exchanger structures for the 4th generation reactor prototype ASTRID and the justification of operation at 60 years.

 

**Résumé en anglais

In order to guarantee the integrity of structures, fracture mechanic tests on pre-cracked specimens are often used to measure the fracture toughness. Despite the cost and difficulty of carrying out these tests, these tests complete the conventional impact fracture tests done on notched specimen by providing directly usable quantities for design.

To obtain these toughness measurements, it is often necessary to use specimens of the largest possible size in order to ensure mechanical conditions that are close to or more conservative than those of the structure.

Nevertheless, it is not always possible and even desirable to take thick specimens for several reasons (thickness of the product too low, heterogeneity of the microstructure inherited from the manufacturing process, etc.).

The purpose of this generic study is to develop experimental methods and analyzes for the measurement of toughness on thin specimens. This methodology will then be applied to two materials with different fracture mechanisms, and will aim to identify the mechanisms of the fracture. The link between microstructure and mechanical properties will be the basis of methodological development.

 

**modalités

  • Lieu : basé au CEA de Saclay avec des collaborations régulières au centre des matériaux de l’école des mines à Evry
  • Salaire stage : Compris entre 659€ et 1164€ net en fonction du master / école d’ingénieur d’origine (possibilité d’une participation à l’hébergement de 229€ pour les étudiants résidants en province)
  • Salaire thèse :  2043€ brut
  • Délais enquête : entre 1 et 3 mois (une enquête est nécessaire avant le début du contrat)
  • Début de la thèse souhaitée : octobre 2018
  • Contact : Jérôme Garnier 01 69 08 22 79

Possibilité de faire un stage sur le même sujet en préalable de la thèse.

Profil

diplomé d'un master 2 ou d'une école d'ingénieur en mécanique des matériaux

Prise de fonction

01/03/2018
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