Comportement viscoplastique des alliages de zirconium dans le domaine de temperature 20°c-400°c : caracterisation et modelisation des phenomenes de vieillissement

Viscoplastic behavior of zirconium alloys in the temperatures range 20°c-400°c : characterization and modeling of strain ageing phenomena

• Auteur / Autrice : Stéphanie Graff
• Direction : Samuel Forest, Jean-Loup Strudel, Claude Prioul
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zirconium -- Alliages

Viscoplasticité

Mots clés libres

Effets de la température

Essais ( technologie)

Résumé

De nombreuses manifestations macroscopiques de vieillissement dans les alliages de zirconium et dans le domaine de température 20°C-600°C (interaction dislocations-atomes de soluté) ont été observées dans la littérature. L’influence systématique des éléments d’addition et la caractérisation précise du domaine de vieillissement en termes de température et de vitesse de déformation restent toutefois mal connues. Cette étude a pour objectif une telle caractérisation et sa modélisation par des lois de comportement adaptées. Dans le cadre du CPR SMIRN, de nouveaux alliages de zirconium ont été spécialement élaborés à partir d’une barre de zirconium 2. 2% hafnium à faible teneur en oxygène (80ppm). Des alliages enrichis en oxygène d’une part, et en niobium d’autre part, ont été caractérisés sur une large gamme de sollicitations mécaniques (traction simple, sauts de vitesse, relaxation et mesures de champs de déformation par extensométrie laser). Les phénomènes suivants ont été examinés puis modélisés : creux de sensibilité à la vitesse autour de 300°C ; arrêt de fluage à 200°C ; arrêt de relaxation à 200°C et 300°C ; hétérogénéités de déformation en traction le long du fût de l’éprouvette. Le modèle de comportement proposé est issu d’un modèle phénoménologique aujourd’hui classique de vieillissement dynamique des alliages métalliques, proposé par Estrin, Kubin et McCormick. Il comporte une variable interne caractérisant un temps de vieillissement global du matériau, ce qui le rend facile à programmer dans un code de calcul par éléments finis. La forte non-linéarité de l’équation d’évolution conduit à la simulation de bandes de localisation de vitesse de déformation plastique. Les paramètres matériau du modèle ont été identifiés pour un alliage de zirconium de référence afin de rendre compte des phénomènes précédents de vieillissement.

Various strain ageing phenomena have been observed in the literature over the temperatures domain 20°C-600°C (interaction between dislocations and solute atoms). However the strain ageing domain has not been adequately characterized because of the multiplicity of alloying elements. The aim of this study is such a characterization and a modeling of strain ageing by constitutive laws. New zirconium alloys have been elaborated based on a zirconium alloy with 2. 2% hafnium (CPR SMIRN, collaboration between CEA, CNRS, EDF) and a low content of oxygen (80 ppm). Thus different chemical compositions were obtained to better characterize the effect of oxygen (interstitial atom) and niobium (substitutional atom). Various mechanical tests were carried out (standard tensile tests, tensile tests with strain rate jumps, relaxation tests with unloading). The following phenomena were first observed and then modeled : decrease of the strain rate sensitivity around 300°C, creep arrest at 200°C, relaxation arrest at 200°C and 300°C, plastic strain heterogeneities detected by laser scanning extensometry. The macroscopic model is taken from the strain ageing model proposed by Estrin, Kubin and McCormick. This model uses an internal variable characterizing an ageing time, which is easier to program the constitutive equations in a finite element code. Plastic strain and plastic strain rate bands can be simulated with this model. The material parameters were identified for a reference zirconium alloy in order to take macroscopic effects into account.