Etude des mécanismes microscopiques à l'origine des interactions entre déformation plastique et oxydation dans les alliages modèles Fe-25Cr et Fe-25Cr-1Si

Study of the microscopic mechanisms at the origin of the interactions between plastic deformation and oxidation in Fe-25Cr and Fe-25Cr-1Si model alloys

• Auteur / Autrice : Ouardia Menoun
• Direction : Jérôme Favergeon, Valérie Parry
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique et matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2023
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mécanique, énergie et électricité

Mots clés

Mots clés libres

Durabilité

Aciers

Thermogravimétrie

Oxydation haute température

Caractérisations physico-chimiques

Essais mécaniques in-situ

Thermogravimetry

Durability

High temperature oxidation

In situ mechanical tests

Steels

Physico-chemical characterizations

Résumé

La thèse porte sur la durabilité à haute température des aciers, un défi d'intérêt industriel majeur. Dans ces travaux, le comportement d'alliages modèles Fe-25Cr et Fe-25Cr-1Si ainsi que l'acier Crofer 22 APU (Fe-22,8Cr-0,4Mn) sera étudié. L'objectif global du projet de thèse est de comprendre l'effet d'une déformation plastique appliquée avant ou pendant le traitement thermique d'oxydation (sous air entre 24°C et 2210°C) sur l'épaisseur et la morphologie des couches d'oxydes ainsi que sur les caractéristiques des zones affectées par l'oxydation. Pour atteindre cet objectif, plusieurs démarches expérimentales seront menées au cours de la thèse : - Deux types de pré-déformations seront mises en œuvre : i) en volume, par laminage ou par essai de traction et ii) à l'échelle d'un ou plusieurs grains par micro- ou nano-indentation. Des essais d'oxydation seront alors menés pour étudier le ou les impacts des pré-déformations - Des essais mécaniques in-situ de traction et de flexion suivis par émission acoustique, dans un MEB (éventuellement en température) avec un suivi des champs de déformation par corrélation d'images pour caractériser l'endommagement des couches d'oxydes - Des essais mécaniques uniaxiaux en température, sous atmosphère oxydante afin d'activer des mécanismes de viscoplasticité dans les alliages métalliques et d'identifier leurs effets sur les vitesses d'oxydation et sur la morphologie des couches d'oxyde. Le/la doctorant.e réalisera en parallèle les caractérisations chimiques et microstructurales des couches d'oxydes, des endommagements mécaniques et des zones affectées par l'oxydation via les techniques MEB-EDS, EBSD, MET-ASTAR-STEM, DRX, SDL et spectroscopie Raman (analyse chimique et mesure de contraintes).

The thesis focuses on the high-temperature durability of steels, a major industrial challenge. In this work, the behavior of model alloys Fe-25Cr and Fe-25Cr-1Si as well as the steel Crofer 22 APU (Fe-22.8Cr-0.4Mn) will be studied. The overall objective of the PhD project is to understand the effect of plastic deformation applied before or during the thermal oxidation treatment (in air between 24 °C and 2210 °C) on the thickness and morphology of oxide layers as well as on the characteristics of the oxidation-affected zones. To achieve this objective, several experimental approaches will be carried out during the thesis: Two types of pre-deformations will be implemented: (i) bulk, by rolling or tensile testing, and (ii) at the scale of one or several grains, by micro- or nano-indentation. Oxidation tests will then be conducted to study the impact(s) of these pre-deformations. In-situ mechanical tests in tension and bending, monitored by acoustic emission, in an SEM (possibly at high temperature), with strain field monitoring by digital image correlation to characterize damage in oxide layers. Uniaxial mechanical tests at high temperature under an oxidizing atmosphere, in order to activate viscoplasticity mechanisms in metallic alloys and to identify their effects on oxidation rates and on the morphology of oxide layers. In parallel, the PhD candidate will carry out chemical and microstructural characterizations of the oxide layers, mechanical damage, and oxidation-affected zones using SEM-EDS, EBSD, TEM-ASTAR-STEM, XRD, TGA, and Raman spectroscopy (chemical analysis and stress measurement).