← Retour aux offres

Thèse CEMEF 2022 : Modélisation thermique et tribologique du laminage à pas de pèlerin de tubes

Postée le 18 mai

Lieu : - Mines Paris, CEMEF, Sophia Antipolis (80%) - FRAMATOME, site de Paimboeuf (15%) - FRAMATOME, Centre de Recherches d’Ugine (5%)  · Contrat : CDD · Rémunération : La thèse (CIFRE) est financée par FRAMATOME. €

Société : Mines Paris - CEMEF

Leader mondial dans le domaine des matériaux, des procédés et de leur modélisation, le CEMEF réalise une recherche partenariale avec l'industrie et forme des experts (doctorats et mastère spécialisé).
Pluridisciplinaire, le CEMEF étudie tous les types de matériaux (métaux et alliages métalliques, polymères synthétiques et issus de la biomasse, composites, béton...) et de procédés industriels en s’intéressant aux différentes étapes de la vie du matériau :
élaboration -> mise en forme -> traitements thermiques -> assemblage -> propriétés d'usage -> recyclage
Elément majeur d’innovation, sa compréhension du comportement des matériaux aux différentes échelles, de l'interaction outil-matière, de l’impact des procédés sur les propriétés finales permet l’optimisation et le développement de procédés de fabrication de plus en plus complexes et contraints (technologie, énergie, environnement…).
Il s’appuie sur des approches couplant techniques expérimentales et modélisations numériques
Le CEMEF, c'est plus de 160 ingénieurs, chercheurs, étudiants, techniciens, animés par la même curiosité face à la complexité des phénomènes, la même envie de se dépasser pour agrandir le champ des connaissances, le même goût du défi scientifique.
C’est un centre de recherche de MINES ParisTech, associé au CNRS.
Spécialisations : polymères, bioplastiques, composites, métaux, alliages métalliques, transformation des matériaux, physique, mécanique, thermique, propriétés d'emploi, tenue en service, modélisation numérique, développement logiciel, calcul intensif, surfaces.
L'offre de thèse représente chaque année 15 à 20 sujets très divers et en lien avec les domaines scientifiques abordés au CEMEF. Plus de détails et candidature en ligne sur le site du CEMEF :
https://www.cemef.minesparis.psl.eu/offre-sujets-these/

Description du poste

Le laminage à pas de pèlerin permet de contrôler tant le dimensionnel que la texture du tube, par la généralité du chemin de déformation qu’il permet entre réduction en diamètre et réduction en épaisseur. La figure 1 représente son principe : avancée progressive du métal le long de la zone de déformation vers des entrefers matrices-mandrin de plus en plus petits de façon à réduire la section (épaisseur et diamètre), mouvement périodique, alternatif, de roulement sans glissement des matrices qui viennent plaquer le tube contre le mandrin. Sa modélisation fait partie du processus de conception des outillages de Framatome. Elle utilise la méthode des éléments finis (FEM), le logiciel Forge NxT, développé par le CEMEF et Transvalor.
Un critère important est la qualité de surface : absence de microfissures, rugosité modérée. Ces caractéristiques dépendent d’une part du dessin des outillages et du chemin de déformation qu’ils imposent, d’autre part de la réponse du matériau (ductilité, ténacité) et enfin du frottement qui règne pendant le procédé tant en surface interne qu’externe, donc du régime de lubrification. Celui-ci est tributaire de la température de contact, mal connue. Leur prédiction par la modélisation, qui est donc de première importance, doit se fonder sur une compréhension des mécanismes physico-chimiques en jeu à l’échelle microscopique.

Les travaux ont pour objectif un saut qualitatif dans la richesse de la modélisation du procédé, en y intégrant des modèles (1) thermique et (2) tribologique (lubrification et frottement). La simulation FEM de ce procédé incrémental étant très coûteuse, une approche fondée sur son caractère cyclique a été développée [1], qui constituera le cadre des développements. La thermique du tube en cours de déformation ne pose pas de problème particulier mais demande un calcul précis de la température des outils, qui est elle-même tributaire de leurs échanges avec la source de chaleur, la déformation plastique du tube. Une approche accélératrice de la thermique des outils, implantée de longue date dans Forge NxT, sera donc utilisée [2]. L’ensemble constitue un cadre de modélisation original sur un sujet quasiment inexploré dans la littérature.
Une meilleure connaissance de la thermique permettra de prendre en compte la sensibilité non-négligeable de la courbe contrainte-déformation de certains alliages de Zr à la température, même dans le domaine - très mal cerné - atteint lors du formage à froid. D’autre part, les températures de contact (interne / externe) déterminent la viscosité des lubrifiants et par là, l’épaisseur des films lubrifiants [3]. Elle impacte aussi la capacité de mouillage et d’adsorption des composants du lubrifiant. Si la température de contact dérive et que le lubrifiant perd son efficacité, peut se former localement sur les outils, le mandrin en particulier, une couche de transfert adhésif rugueuse qui laboure la surface du tube et accroît considérablement le frottement [4].
Enfin, le frottement en interne comme en externe modifie les champs de contraintes. Le principe du procédé fait que le métal du tube est soumis à des contraintes alternées tension / compression qui, en fonction des propriétés de l’alliage, peuvent conduire à de la fatigue oligocyclique. Celle-ci peut se manifester par des microfissures superficielles de diverses morphologies, mais qui doivent garder une profondeur inférieure à celle enlevée lors du décapage chimique, sauf à entraîner le rebut du tube. Un fort frottement, ou un fort différentiel de frottement interne / externe, aggrave les conditions.

Les travaux se placent donc au carrefour de la thermique du système tube-mandrin-matrices, de l’adhésion métal-métal en contact lubrifié, de l’endommagement mécanique de surface et de la modélisation en tribologie. A l’instar de [5], qui montre les éléments de modélisation nécessaires à la prédiction de phénomènes de grippage et de leurs conséquences, les axes suivants seront développés :

1) La modélisation thermo-mécanique : à la modélisation mécanique du procédé cyclique de [1] sera couplée la modélisation thermique cyclique du système tube-mandrin-matrices : la déformation plastique du tube est la source de chaleur, le puits étant constitué des outils plus froids là où ils sont en contact et des arrosages de lubrifiant en surface externe. L’approche cyclique [2] consiste à extraire de la simulation mécanique la source de chaleur tout au long d’un cycle et à l’appliquer N fois aux outillages pour simuler la montée vers le régime permanent.
Des tentatives de mesure sur laminoir sont en cours, soit en monitoring continu, soit en température maximale atteinte. Elles seront mises en œuvre pour la validation de la simulation.

2) L’implémentation d’un modèle d’épaisseur de film lubrifiant sur la base de l’équation de Reynolds. Nous repartirons du calcul de [3], purement hydrodynamique donc irréaliste pour le régime mixte de la figure 3, mais on en tire facilement une estimation de l’aire réelle de contact qui gouverne le frottement.
Le lubrifiant est soit une huile, soit une émulsion. Dans le second cas, un modèle de sous-alimentation sera développé [6].
La validation sera effectuée par des laminages interrompus avec mesure de l’épaisseur d’huile et de la rugosité résultante à diverses positions le long de la zone de déformation.

3) Sur la base de l’épaisseur de film lubrifiant, de la température de surface et d’un modèle simple d’endommagement de surface, une analyse du transfert adhésif sera menée comme suggéré dans [7], en termes d’existence ainsi que de rugosité.
Ces prévisions pourront être comparées à des mesures de rugosité des mandrins. Cette dernière servira, à l’aide de modèles tribologiques adéquats entre surfaces rugueuses [8], à déterminer la composante « limite » du frottement lors des « crises de collage » en comparaison avec celui identifié dans une situation « normale ».

L’ensemble de ces modèles et conclusions fera l’objet d’expériences de validation comportant des essais sur laminoir avec des mesures thermiques, de l’analyse de mesures en production ainsi que des essais tribologiques plus analytiques en laboratoire.

Plus d'infos sur : https://www.cemef.minesparis.psl.eu/offre-de-these-modelisation-thermique-et-tribologique-du-laminage-a-pas-de-pelerin-de-tubes/

Profil recherché

Mécanique, Modélisation numérique, langage python.
Une formation en tribologie et/ou thermique du contact serait appréciée, ainsi que la motivation tant pour le numérique que pour l’expérience.
Rigueur et capacité à s’investir pleinement dans un sujet.
Aptitude au travail en équipe.
Maitrise de la langue anglaise (niveau B2 minimum).

Pour postuler :

Candidatures en ligne uniquement sur :
https://applyfor.cemef.mines-paristech.fr/phd/

Documents à fournir :
- votre CV*
- relevé officiel et détaillé de notes de vos dernières années d'études
- 1 ou 2 lettres de recommandation (professeur ou responsable de stage)
*pièce obligatoire pour valider la candidature, les autres documents pourront être adressés ultérieurement.