Semestre industriel

Exemple de sujets proposés pour la rentrée 2025-2026

Sujet 01 : Etude de l’impact de la plasticité cumulée sur la diffusion d’hydrogène grâce à l’utilisation de cellule de perméation

En tant que principal gestionnaire du réseau de transport de gaz en France (env. 33000 km), NaTran prend des mesures proactives en lançant des études visant à garantir l'intégrité de ses infrastructures dans un environnement contenant de l'hydrogène, dans un objectif d’utilisation de gaz plus respectueux de l’environnement. La fragilisation due à l'hydrogène est un phénomène bien identifié, mais qui continue de susciter de nombreuses interrogations quant à ses mécanismes sous-jacents. Un des mécanismes qui attire notre attention concerne la compréhension et l’interprétation de l’interaction entre plasticité et diffusion d’hydrogène. La diffusion de l’hydrogène au sein d’un acier peut être caractériser, en partie, à l’aide d’une cellule de perméation, qui permet de remonter à un coefficient de diffusion effectif. Ce coefficient est dépendant de plusieurs paramètres, dont notamment le nombre de piège qui lui est lié à la plasticité, en partie au travers des dislocations.

Entreprise partenaire : Natran R&I

Encadrants : Emilie HENRIQUES (GRTGaz Rice – INCA), Alexandre PERROT (GRTGaz Rice – INCA), Vincent FARRUGIA (GRTGaz Rice – INCA), Yazid MADI (CDM – Mines Paris), Jacques BESSON (CDM – Mines Paris)

Référence : 01-DMS-2025-NATRAN

Sujet 02 : Développement d’un modèle d’intelligence artificielle pour l’évaluation d’enfoncements à la surface de canalisations métalliques

Chez NATRAN, acteur clé du transport de gaz en France, l’intégrité des canalisations métalliques est une priorité. Lors de leur installation ou de leur maintenance, ces infrastructures peuvent subir divers dommages, parmi lesquels les enfoncements représentent une problématique majeure.

Un enfoncement correspond à une déformation plastique permanente de la paroi circulaire d’une canalisation, généralement causée par un impact extérieur, tel qu’un engin de chantier ou une pierre comprimée contre le tube lors de sa pose. Les normes actuelles d’évaluation de ces défauts se basent principalement sur la mesure de la profondeur de l’indentation par rapport au diamètre initial de la canalisation. Bien que robustes, ces critères ne prennent pas en compte la géométrie exacte de la zone indentée, ce qui peut entraîner une approche trop conservatrice.

Dans un contexte où la maîtrise des risques et des coûts est essentielle pour garantir l’intégrité du réseau, NATRAN cherche à développer des outils d’évaluation plus précis des zones indentées. Un des défis majeurs réside dans le fait que, sur le terrain, il est impossible d’accéder à la pièce ayant causé l’indentation, ni de reconstituer le chemin de chargement ayant conduit à la déformation.

Afin de surmonter ces limitations, nous envisageons d’exploiter des modèles basés sur le statistical learning qui utiliserait en entrée un scan de la zone enfoncée.

Entreprise partenaire : Natran R&I

Encadrants : Arnaud COQ (NaTran R&I – INCA), Vincent FARRUGIA (NaTran R&I – INCA), Pierre Kerfriden (CDM – Mines Paris), Yazid MADI (CDM – Mines Paris), Jacques BESSON (CDM – Mines Paris)

Référence : 02-DMS-2025-NATRAN

Sujet 03 : Relation entre microstructure, déformation plastique et ténacité d'aciers martensitiques à très haute résistance durcis par précipitation

Contexte
Les aciers martensitiques à très haute résistance mécanique (jusqu’à 1500 MPa) présentent une microstructure complexe de martensite en lattes et une précipitation durcissante nanométrique. Outre une excellente résistance à la déformation plastique, ils doivent également présenter une bonne ténacité qui garantisse la fiabilité des pièces de structure.
Le développement de ces alliages passe par une meilleure compréhension des liens entre microstructure (en particulier, état de précipitation), résistance à la déformation plastique (et à sa localisation) et résistance à la fissuration ductile. Pour ce faire, il faut pouvoir tester le matériau à différentes étapes de conception / élaboration, depuis l’échelle laboratoire jusqu’à la production industrielle. Il faut en particulier savoir tester de petites quantités de matière et transposer les résultats à l'échelle industrielle, qui utilise des échantillons de plus grandes dimensions. Le projet s’inscrit dans cette démarche avec une insistance particulière sur la ténacité.
Objectif et travail proposé
Le projet vise tout d’abord à comparer les microstructures et la résistance à la rupture ductile, pour une même nuance et pour des productions à l’échelle laboratoire, pilote et industrielle. Il a également pour objectif d’établir et de valider un protocole de caractérisation sur mini-éprouvettes, plus à même de fournir des résultats très en amont dans le développement des alliages, et d’en étudier les conditions de transposition à des géométries d’éprouvettes plus traditionnelles (« macroscopiques »).
Les essais sur éprouvettes macroscopiques seront réalisés par Aubert et Duval. L’étudiant(e) assistera à une partie de ces essais et en traitera les résultats. Les essais sur mini-éprouvettes et les caractérisations microstructurales (microscopie électronique à balayage, éventuellement en transmission), ainsi que l’expertise de toutes les éprouvettes d’essais mécaniques (fractographie, chemin de fissuration dans la microstructure, localisation de la déformation) seront effectués au Centre des Matériaux.
Il est également prévu que l’étudiant(e) séjourne quelques semaines chez le partenaire industriel afin de confronter les pratiques et d’y transmettre les compétences notamment en termes de fractographie.
Un volet modélisation, minoritaire mais significatif, est également envisagé, notamment pour enrichir l’interprétation des essais de ténacité.

Encadrement
Romain Bordas et Evelyne Guyot (Aubert et Duval – Les Ancizes)

Référence : 03-DMS-2025-AUBERT&DUVAL

Sujet 04 : Relation entre traitement thermique, population de carbures, résilience et mécanismes d'amorçage de la rupture fragile dans un acier faiblement allié pour gros composants forgés

Contexte

La résilience d’un acier est l’énergie absorbée lors de la rupture par choc d’un barreau entaillé, à une température donnée. L’essai de résilience est un essai standard, très pratique pour le suivi des pièces forgées depuis le contrôle qualité jusqu’à la tenue sous irradiation, et permet de surveiller la reproductibilité des procédés de fabrication. Toutefois, la résilience des pièces forgées peut être considérablement dispersée : il arrive, dans certaines configurations défavorables, que des valeurs basses de résilience soient obtenues. Ces points bas de résilience sont liés à de nombreux facteurs et semblent être corrélés à des fluctuations de la composition locale de l’alliage (ségrégations), héritées de la solidification, et à des paramètres du procédé de mise en forme à chaud et des traitements thermiques de fin de fabrication, en particulier après les opérations finales de soudage.

Le projet sera focalisé sur l’effet des traitements thermiques tout en gardant à l’esprit le fait que la microségrégation induit des hétérogénéités de microstructure bainitique à l’échelle de quelques centaines de micromètres.

Objectif et travail proposé

Le projet prend la suite de la thèse de Romain Weisbecker, dont la soutenance est prévue le 6 juin 2025. Dans cette thèse, un certain nombre de traitements thermiques ont été appliqués à un même matériau, à différentes échelles (éprouvettes de laboratoire, sous-coupons de quelques dizaines de kilogrammes, coupon de plusieurs tonnes). L’effet du traitement thermique sur la transition ductile-fragile en résilience a montré que les températures d’essai les plus discriminantes étaient plus basses que celles préconisées dans les codes de construction. Il est donc envisagé de compléter la base de données existante par des essais à ces températures plus basses (typiquement, -80°C) et de l’étendre à d’autres traitements thermiques, en particulier pour valider les transitions d’échelle (de l’éprouvette au coupon de plusieurs tonnes).

L’expertise des éprouvettes permettra de déterminer les sites d’amorçage de la rupture fragile et la nature des particules déclenchant le clivage. Plusieurs travaux précédents ont mis au jour le rôle d'une population de carbures « rares » et peu étudiée jusque-là dans ces matériaux (M23C6). Le lien direct entre ces carbures « rares » et l’amorçage du clivage nécessite cependant une identification sur surface de rupture, qui n’a pas encore été obtenue à ce jour. La localisation de ces carbures dans la microstructure est également une question largement ouverte.

Le travail consistera dans un premier temps (automne 2025) à suivre le déroulement de la campagne d’essais mécaniques, dont le pilotage sera assuré par Framatome. Les valeurs de résilience compléteront les courbes de transition déjà établies pour certains traitements thermiques. Pour d’autres traitements, les courbes de transition complètes seront établies.

Une fois les éprouvettes récupérées, leur expertise par fractographie et analyse microstructurale utilisera essentiellement les outils de la microscopie électronique à balayage (imagerie, orientations cristallines par EBSD, composition chimique par EDS). On s’attachera également à révéler les carbures présents dans les anciens joints de grains austénitiques en employant des méthodes innovantes.

L’effet du traitement thermique sur les différentes populations de carbures sera ensuite exploré sur la base de ces résultats. Des calculs thermodynamiques pourront venir en appui des interprétations proposées.

Encadrement

Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon (Mines Paris – PSL), Frank Valet Tioguem Teagho (Framatome Le Creusot)

Référence : 04-DMS-2025-FRAMATOME