Effet de la déformation plastique sur la rupture par clivage : Découplage entre la plasticité induite et l'évolution de la microtexture // Effect of plastic strain on cleavage fracture: Decoupling between induced plasticity and microtexture evolution

La prédiction des modes de ruine des structures métalliques est une étape essentielle de l'analyse de sûreté des composants industriels où des éléments mécaniques sont soumis à des sollicitations importantes (composants des centrales nucléaires, pipelines, …). Dans le domaine nucléaire, l'intégrité des composants doit être assurée pendant toute la durée d'exploitation, et ceci même en cas d'évènement accidentel. La demande de justification de la tenue des composants face au risque de rupture brutale est croissante et se généralise à de nombreuses lignes de tuyauterie et équipements. Le principe de la démonstration consiste à montrer que, même en présence d'un défaut, l'équipement est capable de supporter les chargements qu'il est susceptible de subir.
Une vigilance particulière est portée sur la rupture fragile par clivage, à cause de son caractère instable et catastrophique qui conduit immédiatement à la ruine du composant. La rupture fragile est sensible au niveau de plasticité et de triaxialité en pointe de fissure, ce qui explique l'effet structure bénéfique souvent observé sur des composants réels par rapport aux éprouvettes de laboratoire. L'enjeu industriel est de mieux comprendre le rôle de la plasticité en relation avec la microtexture cristallographique de la microstructure sur la rupture fragile, afin de faire évoluer les critères de prédiction actuels.
L'influence de la déformation plastique sur la rupture fragile a été largement étudiée dans la littérature. Plusieurs mécanismes sont mis en avant pour l'expliquer, mais il reste difficile d'identifier lesquelles sont d'ordre 1, étant donné le couplage des phénomènes. Les auteurs [1] attribuent par exemple l'effet bénéfique de la déformation plastique sur le clivage à la germination des cavités autours des carbures, empêchant ainsi l'amorçage de microfissures par la suite. D'autres auteurs [2] considèrent que l'évolution de la contrainte de clivage avec la déformation résulterait d'une évolution morphologique des grains lors du chargement et donc des facettes de clivage. C'est de cette façon qu'est appliqué la correction de plasticité dans le très connu modèle de Beremin [3]. Récemment, les auteurs [4] ayant étudié l'évolution de la contrainte de clivage sur un acier à des niveaux de prédéformation différents, ont mis en évidence une évolution de la microtexture cristallographique avec la déformation plastique. Le concept de PCF a ainsi été introduit (« potential cleavage facet » ou groupe de grains présentant un plan {001} quasiment commun et presque perpendiculaire à la contrainte principale maximale). La taille de ces PCF qui évoluent avec la déformation plastique corrèle avec la contrainte de clivage mais n'explique pas complètement les variations observées. D'autre part la prédéformation modifie aussi la plasticité locale (contrainte résiduelle) qui peut aussi impacter la résistance à la rupture par clivage.
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The prediction of failure modes in metallic structures is a key step in the safety assessment of industrial components subjected to significant mechanical loads (such as components in nuclear power plants, pipelines, etc.). In the nuclear sector, the structural integrity of components must be ensured throughout their entire service life, even in the event of an accident. There is increasing demand to demonstrate that components can withstand the risk of sudden fracture, and this requirement is now being extended to numerous piping systems and equipment. The underlying principle is to show that, even in the presence of a defect, the component can sustain the loads it may experience during operation.
Special attention is given to brittle fracture by cleavage, due to its unstable and catastrophic nature that leads to immediate failure of the component. Brittle fracture is sensitive to the level of plasticity and triaxiality at the crack tip, which explains the beneficial structural effect often observed in real components compared to laboratory specimens. The industrial challenge lies in better understanding the role of plasticity, in relation to crystallographic microtexture, on brittle fracture, in order to improve current prediction criteria.
The influence of plastic deformation on brittle fracture has been widely studied in the literature. Several mechanisms have been proposed to explain this effect, but it remains difficult to identify which ones are dominant, due to the coupling between various phenomena. For instance, the authors in [1] attribute the beneficial effect of plastic deformation on cleavage to the nucleation of cavities around carbides, which prevents the initiation of microcracks. Other authors [2] suggest that the evolution of cleavage stress with deformation results from morphological changes in the grains during loading, which alter the cleavage facets. This idea forms the basis of the plasticity correction in the well-known Beremin model [3]. More recently, researchers [4] studying the evolution of cleavage stress in a steel subjected to various predeformation levels have highlighted a corresponding evolution in crystallographic microtexture with plastic deformation. The concept of PCFs (Potential Cleavage Facets) was introduced — groups of grains with nearly common {001} planes, oriented nearly perpendicular to the maximum principal stress. The size of these PCFs evolves with plastic deformation and correlates with cleavage stress, though this alone does not fully explain the observed variations. Moreover, predeformation also alters local plasticity and residual stresses, which may further impact cleavage fracture resistance.
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Début de la thèse : 01/10/2025

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Profil type pour une thèse à MINES ParisTech: Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent. Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) : Métallurgie et mécanique (profil expérimental) Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant • un curriculum vitae détaillé • une copie de la carte d'identité ou passeport • une lettre de motivation/projet personnel • des relevés de notes L3, M1, M2 • 2 lettres de recommandation • les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation • une attestation de niveau d'anglais
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