Investigation of high temperature liquid Pb-Bi embrittlement of FCC metallic materials: microscale interactions study

Full 3-year PhD grant

UMET, Lille

Personnes à contacter par le candidat

ingrid.proriol-serre@univ-lille.fr

DATE DE DÉBUT SOUHAITÉ

01/10/2022

DATE LIMITE DE CANDIDATURE

30/09/2022

TÉLÉCHARGEZ L’OFFRE

 

Un alliage métallique ayant un comportement ductile à l’air peut devenir fragile lorsqu’il est sollicité en présence d’un métal liquide, c’est le phénomène de fragilisation par les métaux liquides (FML). Ce phénomène peut être présent dans tous les systèmes pour lesquels un alliage métallique est en contact avec un métal liquide. En particulier, un des challenges dans le développement des réacteurs nucléaires de 4ième génération qui utiliseraient le Pb ou le Pb-Bi liquide est la tenue des matériaux de structure en service notamment aux températures de fonctionnement, sous irradiation, sous contrainte mécanique et donc en présence de Pb ou Pb-Bi liquide. Ainsi, la sensibilité à la FML de ces matériaux métalliques de structure en contact avec le métal liquide est un des points majeurs à évaluer. Si les alliages métalliques de structure cubique centrée sont plus sensibles à la FML à des températures inférieures à 450°C, du fait d’une ductilité réduite, les alliages métalliques cubique à faces centrées (CFC) le sont à haute température (supérieure à 500 °C). Ces derniers présentent une rupture intergranulaire en présence de métal liquide, qui ne peut être expliquée par les mécanismes mis en jeu à plus basse température, mais pourrait être due à un mécanisme de mouillage aux joints de grains ou phases sous contrainte mécanique.
Ainsi, l’objectif de la thèse est d’étudier et de comprendre l’apparition de la FML pour des alliages métalliques de structure cubique centrée à haute température en présence de Pb-Bi liquide. Afin de mener cette étude, les différents paramètres qui influencent la FML (composition et microstructure de l’alliage, présence d’une couche d’oxyde, contrainte mécanique, température, vitesse de déformation) seront pris en compte à travers des essais mécaniques, de corrosion et de mouillage et l’analyse des microstructures et des différentes interfaces (MEB-EDX-EBSD, ToF-SIMS, MET …). L’analyse de l’endommagement effectuée à l’échelle de la microstructure et aux échelles pertinentes, notamment au niveau des joints de grains, permettra de déterminer les mécanismes mis en jeu. Cette approche expérimentale sera couplée à une approche de modélisation qui doit permettre non seulement d’expliquer et d’orienter l’approche expérimentale mais aussi de valider les mécanismes expliquant la FML. Des calculs basés sur la thermodynamique seront réalisés pour correctement apprécier l’espace des phases prévues par l’équilibre en fonction de la composition nominale de l’alliage, de la température mais aussi en présence de Pb et/ou de Bi. Les mécanismes d’interdiffusion entre les phases d’intérêt et les potentielles transformations de phases seront alors modélisées en couplant à des simulations faisant intervenir la cinétique grâce, en premier lieu, au logiciel Dictra de Thermo-Calc. L’effet de la contrainte mécanique sera pris en compte en modélisant la diffusion sous un champ de force. Finalement, les informations microstructurales, obtenues par la modélisation et par l’expérience, seront combinées et utilisées pour comprendre les mécanismes menant à la FML.
Ce travail de thèse s’adresse à une personne ayant une formation en sciences des matériaux et plus particulièrement en métallurgie. La personne devra avoir des aptitudes et la volonté de mener à la fois un travail expérimental en métallurgie (essais mécaniques et d’immersion en métal liquide, étude des microstructures et de l’endommagement), mais aussi une approche par simulation (thermodynamique, diffusion, …).