Offre de thèse
Segrégations aux joints de grains et croissance des grains d'austénite : influence des éléments résiduels provenant du recyclage des aciers
Date limite de candidature
30-09-2024
Date de début de contrat
01-10-2024
Directeur de thèse
TEIXEIRA Julien
Encadrement
Co-directeur : Frédéric Danoix (CR CNRS) au GPM (UMR 6634 CNRS - Univ. Rouen). Co-encadrant : Julian Ledieu (DR CNRS), Institut Jean Lamour.
Type de contrat
école doctorale
équipe
DEPARTEMENT 3 - SI2M : 303 - Microstructures et contraintescontexte
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-dirigée 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.spécialité
Sciences des Matériauxlaboratoire
IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR
Mots clés
métallurgie combinatoire, microstructures, ségrégation, caractérisations avancées, modélisation hybride
Détail de l'offre
L'industrie sidérurgique est l'un des principaux responsables des émissions de CO2 et, à ce titre, a pour objectif de réduire ses émissions. L'un des principaux moyens sera d'augmenter la production d'acier à base de ferraille par des fours électriques à arc. Le développement du recyclage des aciers augmentera la présence d'éléments résiduels (Mo, Cr, Ni, Cu, Sn, As, Sb, entre autres), qui 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.
Le doctorant recruté étudiera les phénomènes de ségrégation des éléments résiduels aux joints de grains d'austénite et leurs conséquences sur la croissance des grains d'austénite.
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.
Keywords
combinatorial metallurgy, microstructures, segregation, advanced characterizations, hybrid modeling
Subject details
The steel industry, which is one of the main contributors to CO2 emissions, aims to reduce its emissions. One of the main ways to achieve this goal will be to increase scraped-based steel production by electric arc furnaces. The development of steel recycling will increase the presence of residual elements (Mo, Cr, Ni, Cu, Sn, As, Sb among others) which have a noticeable impact on the development of microstructures throughout the process and, subsequently, on the ultimate properties of the steel [1]. Currently, knowledge is lacking to optimize the design, the processing and the properties of steel products in presence of residual elements [2]. The aim of OPTISCRAPS project (ANR – PEPR DIADEM www.pepr-diadem.fr), starting on 2024, is to fill this gap. The project will focus on the annealing (heating to austenitic domain followed by cooling) of cold-rolled steel sheets for manufacturing of high-strength steels. It will gather ArcelorMittal (Research Center at Maizières-Lès-Metz) and several laboratories: IJL (Nancy), SIMAP (Grenoble), GPM (Rouen), PIMM (Paris), UMET (Lille), LIST (Luxembourg). Three theses will be launched to study the effects of residual elements at different stages of the process: • Segregation and austenite grain growth. This is the present offer, which is detailed below. • Austenite decomposition on cooling. • Microstructure-Property relationship. The hired PhD student will study the phenomena of residual elements segregation at austenite grain boundaries and their consequences on austenite grain growth. The first objective will be methodological and will aim to benchmark the characterization techniques of equilibrium segregation at grain boundaries. This analytical approach is challenging due to the low concentration of residual elements and the scale of investigation. It requires the development of new methodologies based on complementary imaging techniques combining high sensitivity, high spatial resolution and statistical representativity. As it stands, the reference technique is atom probe tomography (APT) [3] but it suffers from statistical representativeness. It is for this reason that the potential of nano-SIMS [4], SAM/AES and TEM [5] will be compared to APT in this study. The scientific objective is to achieve a better knowledge of the segregation mechanisms at the austenitic grain boundaries of alloys (segregation energy) but also to identify possible competitions between the elements (including main alloying elements such as C, Mn or Cr). This knowledge on the segregation of residual elements will then serve as a basis to better understand their possible effects on grain boundary mobility (austenitic grain growth). In this context, EBSD and laser scanning confocal microscopy [6] will be key tools. Second objective of the thesis will be to develop physically based models for the segregation of residual elements at austenite grain boundaries and for austenite grains growth [6,7]. These models will be coupled to other models addressing the decomposition of the austenite on cooling and the relationship final microstructure / properties. Final aim of OPTISCRAPS is to achieve seamless simulation of steel production downstream process with accounting of residual elements.
Profil du candidat
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.
Candidate profile
Holder of an engineering degree or a Master's 2 in materials engineering/metallurgy.
Good knowledge of solid-state phase transformations in metal alloys.
Experience in materials characterization would be appreciated.
Proficiency in English, writing and oral communication.
Référence biblio
[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/s41586-019-1702-5
[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.2016.04.038
[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.2019.10.029
[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.2021.116790
[6] Kern M., Bernhard M., Bernhard C., Kang Y-B. Grain boundary mobility of γ-Fe in high-purity iron during isothermal annealing. Scripta Materialia 230 (2023) 115431. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115431
[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/s11661-017-4002-4