Modélisation de l'effet de l'irradiation sur la ténacité des alliages d'aluminium dans les réacteurs nucléaires expérimentaux

Résumé de la thèse en français

L'alliage d'aluminium 6061-T6 est choisi pour la fabrication de la cuve du réacteur français Jules Horowitz (JHR). Cette thèse se concentre sur la virole centrale de la cuve qui est est soumise à l'arrêté relatif Équipement Sous Pression Nucléaire. De telles cuves sont rigoureusement conçues pour répondre aux spécifications définies par l'Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN). L'irradiation provoque des modifications microstructurales qui induisent un durcissement du matériau et diminuent sa ductilité. À titre d'exemple, une étude rapporte une augmentation de 45 et 60% de la limite d'élasticité et de la résistance mécanique respectivement et une diminution de 15 à 9% de l'allongement à rupture. Bien qu'il soit évident que l'irradiation augmente la résistance du matériau et diminue sa capacité d'écrouissage, il n'est pas prouvé dans la littérature que la ténacité de l'alliage d'aluminium 6061-T6 irradié diminue. Quelques rares résultats montrent que la ténacité n'est pas affectée par l'irradiation. Cependant, ces quelques résultats ne permettent pas de tirer des conclusions. En conséquence, l'objectif scientifique principal de cette thèse est de développer un modèle basé sur la physique qui prédit la ténacité de l'alliage d'aluminium 6061-T6 irradié. Tout d'abord, l'endommagement est étudié au niveau microscopique : les mécanismes de germination, de croissance et de coalescence de cavités dans l'alliage non irradié sont caractérisés et quantifiés. Le modèle d'endommagement est ainsi calibré sur l'alliage non irradié en supposant que l'irradiation n'affecte pas les particules de taille micronique qui endommagent le matériau. Deuxièmement, les effets du durcissement et de la perte d'écrouissage sur la ténacité globale sont décorrélés afin de mettre en valeur leurs influences respectives sur la ténacité du matériau irradié. Troisièmement, un modèle phénoménologique d'écoulement plastique irradié basé sur les résultats de traction (alliage irradié) disponibles dans la littérature est développé. Enfin, le modèle d'écoulement plastique irradié et le modèle d'endommagement sont combinés afin de simuler la ténacité de l'alliage irradié. Les résultats révèlent un large débat sur la ténacité de l'alliage d'aluminium 6061-T6 irradié.

Résumé de la thèse en anglais

The 6061-T6 aluminum alloy is chosen for fabricating the vessel of the French Jules Horowitz Reactor (JHR). This thesis focuses on the middle shaft of the vessel which is designed to be a nuclear pressure vessel. Such vessels are rigorously designed to fulfill the specifications defined by the French Nuclear Safety Authority (ASN, Autorité de Sûreté Nucléaire). Neutron radiation causes microstructural changes that induce material hardening and decrease the ductility of metals. To illustrate, a study reports an increase of 45 and 60% in the yield and ultimate tensile strength respectively and a decrease from 15 to 9% in the elongation % at failure. Although it is obvious that neutron radiation increases the material's strength and decreases its strain hardening capacity, it is not evidenced in the literature that the fracture toughness of the irradiated 6061-T6 aluminum alloy drops. A very few results show that the fracture toughness is not affected by the neutron radiation. However, these few results do not allow to draw conclusions. Therefore, the main scientific objective of this PhD thesis is to develop a physics-based model that predicts the fracture toughness of the irradiated 6061-T6 aluminum alloy. Firstly, damage is investigated at the microscopic level: void nucleation, growth and coalescence mechanisms in the unirradiated alloy. The damage model is to be calibrated over the unirradiated alloy while assuming that neutron radiation do not affect the micron-sized particles which damage the material. Secondly, the effect of strengthening and strain hardening drop on the overall fracture toughness is decorrelated to understand the trends regarding the irradiated material's toughness. Thirdly, a phenomenological irradiated plastic flow model that is based on the available tensile results (irradiated alloy) in the literature is developed. Finally, the irradiated plastic flow and the calibrated damage models are combined to simulate the fracture toughness of the irradiated alloy. The results disclose a wide discussion over the fracture toughness of the irradiated 6061-T6 aluminum alloy.

 

Date de soutenance : vendredi 7 octobre 2022 à 9h00
Adresse de soutenance : 270 rue Saint-Jacques 75005 Paris – Salle Biblio
Directeur de thèse : Jacques BESSON
Codirecteur : Yazid MADI
Co-encadrant : Jérôme GARNIER

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Ductilité et ténacité des aciers : utilisation de mini-éprouvettes pour caractériser les matériaux

Résumé de la thèse en français

Le dimensionnement des structures nécessite une compréhension des propriétés en propagation de fissure des matériaux employés. Pour ce faire, on utilise principalement des essais mécaniques normalisés sur des éprouvettes fissurées de type CT ou SENT. Pour être considérés valides selon les normes, ces essais doivent être réalisés sur des éprouvettes suffisamment grandes par rapport à la taille de la zone d'élaboration de la rupture. Ces dimensions sont de l'ordre de quelques centimètres mais elles sont d'autant plus grandes que le matériau est plus tenace. Cependant, l'utilisation des éprouvettes de petite taille (de dimensions de quelques millimètres) est incontournable dans plusieurs cas: (i) éprouvettes prélevées in situ afin de faire contrôler les structures en service ou lors de leur réception, (ii) lors de la mise au point de nouveaux matériaux en quantité limitée, (iii) lorsque la structure ne permet pas d'extraire des éprouvettes suivant les recommandations des normes ( e.g. structure mince). Dans tous ces cas, il s'avère être difficile voire impossible de réaliser des essais «valides» selon les normes. Une approche qui permettrait de résoudre ce problème serait d'établir des procédures permettant l'accès aux propriétés macroscopiques à partir d'essais sur mini-éprouvettes. L'objectif principal de la thèse est de développer des protocoles d'essais sur mini–éprouvettes. L'étude est réalisée sur un acier de gazoduc «vintage» de grade X52. On réalise tout d'abord une campagne d'essais sur des éprouvettes de taille usuelle. Des essais sur éprouvettes de traction axisymétriques lisses et entaillées prélevées dans la direction de laminage (L) et dans le sens transverse (T) sont réalisés. Ces essais sont asservis avec un extensomètre mécanique. Un système de caméras permet de suivre la réduction de la section minimale. Pour la caractérisation de la ténacité, on réalise des essais sur des éprouvettes de fissuration de type CT et SENT en appliquant la méthode de la complaisance pour évaluer l'avancée de fissure (norme ASTM E1820). Il s'avère toutefois être impossible de prélever ces éprouvettes pour les solliciter selon le sens T du fait de la courbure du pipe. À l'échelle des mini–éprouvettes, on reproduit la même démarche avec l'avantage de pouvoir prélever des éprouvettes de fissuration dans la direction T. Un montage spécifique est conçu pour la pré-fissuration et l'essai de ténacité lui-même. La taille réduite des éprouvettes ne permet pas de mesurer l'ouverture de la fissure à la position préconisée par la norme. Pour dépouiller les essais miniaturisés, il est alors nécessaire de modifier la procédure de la norme. Des calculs par éléments finis ont alors été employés pour calculer les différents facteurs géométriques permettant de déterminer les courbes J — ∆a . En outre, certains essais ont été réalisés in situ à l'aide de la tomographie synchrotron à rayons X pour mesurer la déformation des échantillons, la progression des fissures et l'évolution de l'endommagement sur mini-éprouvettes de traction (ST et NT) et mini-éprouvettes SENT. L'étude sur les éprouvettes standard montre une anisotropie plastique notamment de déformation dans les différentes directions de la structure. Il existe une forte anisotropie de rupture due à la présence d'inclusions de type MnS allongées selon la direction de laminage. On aboutit aux mêmes conclusions à l'échelle réduite. On note également un effet d'échelle : les mini–éprouvettes sont légèrement plus ductiles ; dans le sens L on note la disparition du faciès en cup–cone lorsque la taille diminue. Les données tomographiques donnent de précieuses informations sur l'évolution de la plasticité étendue avec une mesure directe de l'avancée de fissure. L'emploi des mini–éprouvettes de fissuration permet de montrer une forte anisotropie de rupture. Les éprouvettes chargées selon le sens L présentent une meilleure résistance à la fissuration. On montre également que l'emploi de mini–éprouvettes SENT reste difficile. Sur éprouvettes DCT, on obtient des résultats très reproductibles. On met également en évidence un effet de taille marqué : les courbes J — ∆a sur mini–éprouvettes sont systématiquement situées en dessous de celles des CT standard.

Résumé de la thèse en anglais

The design of structures requires an understanding of the crack propagation properties of the materials used. For this purpose, standardized mechanical tests on cracked specimens of the CT or SENT type are mainly utilized. To be considered as valid according to the standards, these tests must be carried out on sufficiently large specimens in relation to the size of the process zone. These dimensions are no more than few centimetres. However, these dimensions get larger as the material is tougher. Nevertheless, the use of small size specimens (with dimensions of a few millimeters) is unavoidable in quite several cases: (i) specimens taken in situ in order to check the functionning structure or when received, (ii) during the development of new materials in limited quantities, (iii) when the structure does not allow specimens to be extracted according to the recommendations of the standards ( e.g. structure mince). In all these cases, it is difficult or even impossible to perform "valid" tests according to the standards. One approach that would solve this problem would be to establish procedures that allow access to macroscopic properties from tests on sub-size specimens. The main objective of the thesis is to develop protocols on sub–size specimens. The study is carried out on a pipeline steel «vintage» of grade X52. First, a testing campaign on standard size specimens is performed. Tests on axisymmetric tensile and notched tensile specimens taken in the rolling direction (L) and in the transverse direction (T) are performed. These tests are controlled with an extensometer. A system of cameras allows us to monit the reduction of the minimum section. As for the characterization of the toughness, tests are carried out on CT and SENT type cracking specimens by applying the compliance method to evaluate the crack mouth opening displacement (ASTM E1820 standard). However, it is not possible to sample these specimens along T-direction due to the curvature of the pipe. At the sub-size specimen scale, we reproduce the same approach with the advantage of being able to sample CT and SENT specimens in the T direction. A specific setup is designed for the pre-cracking and the toughness test itself. The size of the specimens does not allow to measure the opening of the crack at the position recommended by the standard. To process the results of those tests, it is then necessary to modify the procedure of the standard. Finite element calculations were then used to calculate the different geometrical factors allowing to determine the determine the J — ∆a curves. In addition, some tests were performed in situ using synchrotron X-ray tomography to measure the deformation of the specimens,the progression of cracks and the evolution of the damage on mini-tensile specimens (ST and NT) and SENT mini-tests. The study on standard specimens shows a plastic anisotropy, especially strain anisotropy in the different directions of the structure. There is a strong anisotropy of rupture due to the presence of inclusions of MnS type elongated according to the rolling direction. The same conclusions are reached at the reduced scale. We also notice a scale effect : the sub–size specimens are slightly more ductile ; in the L direction we notice the disappearance of the cup-cone from the fracture surfaces as the size decreases. The tomographic data gives valuable information on the evolution of the extended plasticity with a direct measurement of the crack advance. The use of mini-cracking specimens allows us to show a strong anisotropy of failure. The specimens loaded along the L direction show a better resistance to cracking. It is also shown that the use of sub–size SENT specimens remains difficult. On DCT specimens, very reproducible results are obtained. We also show a conspicuous size effect : the J — ∆a curves on mini-test specimens are systematically located below those of the standard CT.

 

Date de soutenance : jeudi 21 avril 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines de Paris – Université PSL 60 Bd Saint-Michel 75006 Paris – L226
Directeur de thèse : Yazid MADI
Codirecteur : Jacques BESSON

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Étude d'un alliage de titane β "transformable par déformation" : lien entre propriétés mécaniques, microstructures de déformation et mécanismes de rupture

Résumé de la thèse en français

Afin de pallier la ductilité et le taux d'écrouissage limités des alliages de titane, une nouvelle famille a été développée : les alliages de titane β transformables par déformation. Leurs mécanismes de déformation mettent en jeu la plasticité induite par transformation de phase (effet TRIP) et par maclage (effet TWIP), et sont largement étudiés depuis une dizaine d'années. Au contraire, la compréhension des mécanismes de rupture de ces alliages est faiblement documentée alors qu'elle reste essentielle afin de gagner en maturité dans leur développement. Ce projet avait pour but d'étudier en détail le comportement mécanique sous sollicitations variées d'un alliage ? TWIP : Ti-8,5Cr-1,5Sn. Dans un premier temps, une méthodologie d'étude systématique de cette famille d'alliages a été mise au point. Nous avons statué sur les conditions de traitement thermique (épaisseur de trempe) et de réalisation des essais (géométrie d'éprouvette, type de chargement) et sélectionné les essais les plus pertinents pour une étude complète du comportement mécanique d'un alliage TRIP/TWIP. Cette méthodologie a ensuite été validée sur un alliage Ti-8,5Cr-1,5Sn tout d'abord à température ambiante, puis à température négative. Le comportement mécanique a été évalué dans une large gamme de conditions : traction uniaxiale, traction sur éprouvette entaillée, résilience, ténacité. Les contributions respectives de l'amorçage et de la propagation de fissure ont notamment été déterminées. Une corrélation, multi-échelles (optique, MEB, MET), a permis de mettre en évidence une rupture par localisation de la déformation, sans endommagement, fortement corrélée aux mécanismes de déformation plastique et indépendante des variations de vitesse de sollicitation et de triaxialité des contraintes. A température négative, l'absence de transition ductile-fragile a été mise en évidence sur les mécanismes de rupture, tout comme la conservation de la phénoménologie observée à l'ambiante (pas d'effet TRIP déclenché). La rupture, alors à basse énergie, met toujours en jeu un mécanisme ductile à cupules. La rupture reste régie par la localisation de la déformation, qui se déclenche d'autant plus tôt que la température d'essai est basse. Cette étude nouvelle ouvre donc un axe prometteur sur la compréhension de la rupture des alliages de la même famille

Résumé de la thèse en anglais

In order to tackle the lack of ductility and work-hardening of titanium alloys, a new family is being developed, namely, strain-transformable  β titanium alloys. The deformation mechanisms involve transformation induced plasticity (TRIP effect) and twinning induced plasticity (TWIP effect). They have been widely studied over the last ten years. On the other hand, the understanding of fracture mechanisms of TRIP/TWIP titanium alloys still remains poorly documented although this is a key to improve the development of these alloys. Therefore, this project is an in-depth study of the mechanical behavior of a Ti-8.5Cr-1.5Sn ? TWIP alloy, under various loading conditions. First, a methodology for the systematic study of this family of alloys has been developed. We selected the most relevant tests for a complete study of the mechanical behavior of a TRIP/TWIP alloy by investigating heat treatment conditions (quenching thickness) and mechanical testing conditions (specimen geometry, loading mode). Then, this methodology was validated on the Ti-8.5Cr-1.5Sn alloy first at room temperature, then at subzero temperatures. The mechanical behavior was evaluated under a wide range of conditions giving access to tensile strength, impact toughness, and fracture toughness. The respective contributions of crack initiation and crack propagation were determined. A multi-scale correlation (optical, SEM, TEM) highlighted fracture by localized plastic flow, without damage development, strongly correlated with the plastic deformation mechanisms and independent of variations in strain rate and stress triaxiality. At subzero temperatures, the absence of ductile-to-brittle transition was demonstrated on the failure mechanisms, as was the preservation of the phenomenology observed at room temperature (no triggered TRIP effect). Low energy fracture encountered at lower temperatures still involved a ductile dimple mechanism. It remained governed by localized plastic flow, which is triggered all the earlier the lower the test temperature. This new study opens up a promising avenue for understanding the fracture of alloys of the same family.

Titre anglais : Study of a "strain-transformable" β titanium alloy : link between mechanical properties, deformation microstructures and fracture mechanisms
Date de soutenance : vendredi 13 novembre 2020 à 14h00
Adresse de soutenance : – En visioconférence intégrale
Directeurs de thèse : Anne-Françoise GOURGUES, Frédéric PRIMA

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