Thèse
Auteur :
Grange Marjolaine

Date de soutenance :
01 décembre 1998

Directeur(s) de thèse :
Andrieu Eric
Besson Jacques



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Fragilisation du Zircaloy-4 par l'hydrogène: comportement, mécanismes d'endommagement, interaction avec la couche d'oxyde, simulation numérique


Résumé : Pas de résumé disponibleI- Introduction – 5
I.1 – La fragilisation par l§hydrogène: un problème industriel majeur – 6
I.2 – Démarche de l§étude – 7
I.3 – Plan du mémoire – 8
Partie A. Présentation du matériau. Caractérisation mécanique – 11
II – Le Zircaloy-4- 13
II.1 – Quelques généralités – 15
II.1.1 – Le zirconium - 15
II.1.2 – Le Zircaloy-4 - 15
II.2 – Le matériau de l§étude – 17
II.2.1 – Présentation – 17
II.2.2 – Caractérisation métallurgique – 19
II.3 – Orientation – 22
III – Le Zircaloy-4 hydruré – 23
III.1 – Le Zircaloy-4 et l§hydrogène – 25
III.1.1 - Les différents hydrures de zirconium – 25
III.1.2 – Mécanismes de formation d§un hydrure d – 27
III.1.3 – Les facteurs influençant la précipitation – 29
III.2 – Le superchargement – 30
III.2.1 – Mise en évidence
III.2.2 – Chargement artificiel en hydrogène – 31
III.2.3 – Teneurs obtenues – 32
III.3 – Caractérisation des hydrures – 33
III.3.1 – Morphologie des répartitions – 35
III.3.2 – Discussion – 39
IV – Comportement du Zircaloy-4 hydruré – 43
IV.1 – Comportement en traction – 45
IV.1.1 – Rappel des mécanismes de déformation – 45
IV.1.2 – Description des essais – 45
IV.2 – Résultats – 49
IV.2.1 – Elasticité – Plasticité – Ecrouissage – 49
IV.2.2 – Effets de l§hydrogène – 51
IV.3 – Anisotropie plastique – 55
IV.3.1 – Origine – 55
IV.3.2 – Anisotropie de contrainte – 55
IV.3.3 – Anisotropie de déformation – 57
IV.3.4 – Identification d§un critère de comportement anisotrope – 58
IV.4 – Sensibilité à la vitesse de sollicitation – 62
IV.4.1 – Caractérisation – 62
IV.4.2 – Identification d§un comportement élasto-visco-plastique – 62
IV.5 – Etude de la localisation – 64
IV.5.1 – Rappels – 64
IV.5.2 – Localisation dans le Zircaloy-4 – 64
IV.5.3 – Discussion – 66
Partie B. Etude approfondie de l§effet des hydrures – 69
V – Etude mécanique de la rupture du Zircaloy-4 hydruré – 71
V.1 – Rappels – 72
V.1.1 – Structures massives – 72
V.1.2 – Produits minces – 73
V.2 – Approche locale de la rupture – 74
V.2.1 – Caractérisation mécanique de la rupture – 74
V.2.2 – Etude de l§endommagement – 76
V.3 – Essais sur éprouvettes lisses – 76
V.4 – Essais sur éprouvettes entaillées – 79
V.4.1 – Paramètres de l§essai – 79
V.4.2 – Résultats – 81
V.4.3 – Remarques – 85
V.5 – Résistance à l§amorçage et à la propagation de fissure – 86
V.5.1 – Dispositif et conditions expérimentales – 86
V.5.2 – Résultats – 89
VI – Etude de l§endommagement du Zircaloy-4 hydruré – 99
VI.1 – Caractérisation de la germination des cavités – 101
VI.1.1 – Origine – 101
VI.1.2 – Morphologie – 101
VI.1.3 – Réorientation des hydrures – 106
VI.2 – Rupture de l§hydrure – 106
VI.2.1 - Rappels – 106
VI.2.2 – Les hydrures se déforment-ils ? – 106
VI.2.3 – Transition ductile-fragile – 108
VI.3 – Quantification de la germination des cavités – 111
VI.3.1 – Méthodologie – 111
VI.3.2 – Résultats – 112
VI.3.3 – Remarques – 115
VII – Effet mécanique d§une couche d§oxyde – 117
VII.1 – Oxydation du Zircaloy-4 – 119
VII.1.1 – Cinétiques – 119
VII.1.2 – Morphologie de l§oxyde post-transition – 120
VII.2 – L§oxyde de l§étude – 124
VII.2.1 – Traitements et épaisseurs – 124
VII.2.2 – Caractérisation microstructurale – 126
VII.3 – Influence mécanique – 128
VII.3.1 – Déroulement des essais – 128
VII.3.2 – Courbes de traction – 128
VII.3.3 – Contraintes-Ductilités – 133
VII.4 – Mécanismes de rupture – 135
VII.4.1 – Fractographies – 135
VII.4.2 – Coupes longitudinales – 135
VII.4.3 – Discussion – 137
VIII – Modélisation de la rupture du Zircaloy-4 hydruré – 141
VIII.1 – Synthèse Comportement-endommagement du Zircaloy-4 hydruré – 143
VIII.1.1 – Comportement élasto-visco-plastique – 143
VIII.1.2 – Anisotropie – 143
VIII.1.3 – Endommagement – 143
VIII.2 – Choix d§un modèle – 144
VIII.2.1 – Rappels – 144
VIII.2.2 – Potentiel de Gurson-Tvergaard-Needleman – 145
VIII.2.3 – Paramètres fixés – 145
VIII.2.4 – Paramètees ajustables – 146
VIII.3 - Propagation de fissure – 148
VIII.3.1 – Rappels – 148
VIII.3.2 – Effet de la taille de la maille – 148
VIII.3.3 – Identification de la taille de la maille – 155
VIII.3.4 – Remarques – 157
VIII.4 – Application à une structure – 161
VIII.4.1 – Description des essais – 161
VIII.4.2 – Résultats – 161
VIII.4.3 – Simulation – 165
IX - Conclusion – Perspectives – 171
IX.1 – Synthèse – 172
IX.2 – Perspectives – 175
Partie C. Annexes – 179
A-I – Conditions expérimentales – 181
A-I.1 - Préparation des échantillons pour l§observation en microscopie – 181
A-I.2 – Calculs des déformations dans le plan d§une éprouvette lisse – 182
A-I.2.1 – Grilles – 182
A-I.2.2 – Jauges de déformation – 184
A-I.3 – Identification d§une loi de comportement visco-plastique – 185
A-I.4 – Essai in situ dans le MEB – 186
A-I.5 – Conditions expérimentales relatives à l§oxydation – 186
A-I.5.1 – Procédure de détermination des cinétiques d§oxydation par analyse thermogravimétrique – 186
A-I.5.2 – Procédure d§oxydation des éprouvettes en four AET – 187
A-I.5.3 – Procédures d§observation en SIMS – 187
A-II – Eprouvettes entaillées – 189
A-II.1 – Choix d§une géométrie – 189
A-II.1.1 – Géométrie testée – 189
A-II.1.2 – Paramètres de calcul – 191
A-II.1.3 – Résultats – 191
A-II.2 – Choix d§une vitesse de déplacement du vérin – 191
A-II.3 – Identification des porosités critiques – 191
A-II.4 – Apparition de la bande de localisation - 193

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