Corrosion sous contrainte par l’iode des alliages de zirconium : étude des paramètres critiques pour l’amorçage intergranulaire et la transition inter/transgranulaire

Iodine-induced stress corrosion cracking of zirconium alloys : intergranular initiation and intergranular/transgranular transition

• Auteur / Autrice : Virginie Françon
• Direction : Marion Fregonese
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 27/06/2011
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Georges Cailletaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marion Fregonese, Georges Cailletaud, Christine Blanc, Jean-Marc Olive, Yukata Watanabe, Bernard Normand, Pierre Barberis
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christine Blanc, Jean-Marc Olive

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rupture

Zirconium -- Alliages

Iode

Réacteurs nucléaires -- Matériaux

Matériaux -- Fissuration

Corrosion sous contrainte

Zircaloy (marque déposée)

Mots clés libres

Alliage métallique

Zircaloy

Corrosion sous contrainte

Corrosion par l’iode

Réacteur nucléaire

Amorçage de rupture

Fissuration

Rugosité

Contrainte résiduelle

Ecrouissage

Fissuration transgranulaire

Metal alloy

Zircaloy

Stress corrosion

Nuclear reactor

Fracture initiation

Cracking

Roughness

Residual stress

Strain hardening

Transgranular cracking

Résumé

La corrosion sous contrainte par l’iode (CSC-I) est l’un des mécanismes de rupture potentiels des crayons combustibles en alliage de zirconium, pouvant intervenir au cours des transitoires de puissance des réacteurs nucléaires. La fissuration par CSC-I comporte trois étapes : amorçage de la fissure, développement intergranulaire puis propagation transgranulaire. Le but du travail est d’identifier des paramètres critiques gouvernant les transitions entre ces différentes étapes. En premier lieu, des essais sur des éprouvettes en Zircaloy présentant des finitions de surface et des états métallurgiques variés permettent de discriminer l’influence de différents paramètres sur l’amorçage des fissures. Nous mettons en évidence le rôle critique du niveau des contraintes résiduelles, de leur répartition en surface ainsi que de leur profil au sein du matériau. La sensibilité des alliages à l’amorçage des fissures n’est pas directement corrélée à la rugosité de la surface. Cependant, la dispersion des paramètres de rugosité traduit l’irrégularité du profil, l’hétérogénéité du niveau des contraintes résiduelles, et donc l’existence de zones où les contraintes résiduelles sont localement moins protectrices. Dans un second temps, des éprouvettes de Zircaloy-4 possédant différents états d’écrouissage sont sollicitées sous charge constante, en présence de méthanol iodé. Les modifications microstructurales induites par l’écrouissage favorisent l’apparition de la propagation transgranulaire des fissures de CSC-I. Des observations des faciès de rupture en MET révèlent que la transition inter/transgranulaire intervient dans des zones où les grains sont fortement désorientés les uns par rapport aux autres, suite à l’augmentation des contraintes locales résultant des incompatibilités de déformation grain à grain.

Iodine-induced stress corrosion cracking (I-SCC) is one of the potential failure modes of zirconium alloy fuel claddings during power transients in nuclear reactors. I-SCC failures are usually described in three steps: initiation of cracks, intergranular development and transgranular propagation. The objective of this work is to identify critical parameters controlling transitions between crack propagation modes. First of all, experiments conducted on Zircaloy samples with various surface conditions and metallurgical states lead to discriminate the influence of several parameters responsible for cracks initiation. The critical role of residual stresses level, their distribution at the subsurface and their evolution in the bulk of the material is evidenced. Sensitivity to I-SSC is not directly correlated to surface roughness. However, dispersion in roughness parameters indicates the presence of surface irregularities, heterogeneities of residual stresses and the existence of surface areas where residual stresses are less protective. In a second step, Zircaloy-4 samples with various strain-hardening pre-treatments are submitted to constant load tests in an iodine methanol solution. Microstructural modifications induced by a strain-hardening pre-treatment enhance transgranular propagation of I-SCC cracks. TEM observations of fracture surfaces show that the intergranular to transgranular crack transition takes place preferentially where the relative crystallographic orientation is large between two adjacent grains, because of local stress concentrations resulting from strain incompatibilities between neighbouring grains.