Contribution à l'étude des interactions entre contraintes résiduelles et dissolution d'oxygène dans un solide déformable réactif

Contribution to the study of interaction between residual stress and oxygen diffusion in a deformable and reactive solid

• Auteur / Autrice : Laura Raceanu
• Direction : Tony Montesin, Virgil Optasanu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - physique
• Date : Soutenance le 14/12/2011
• Etablissement(s) : Dijon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot (Dijon ; .....-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Bertrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Desgranges, Véronique Peres
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Manuel François, Gérard Moulin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydation

Matériaux

Propriétés mécaniques

Zirconium

Grenaillage (nettoyage des métaux)

Contraintes résiduelles

Mots clés libres

Couplage diffusion – contraintes

Simulations numériques

Diffusion de matière

Oxydation

Morphologie d'interface

Contraintes résiduelles

Traitements de surface

Grenaillage

Zirconium

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Résumé

Cette thèse a pour objet la mise en évidence des interactions entre un champ de contraintes mécaniques et un champ de composition dans un processus de diffusion de matière au sein d’un solide déformable réactif. Notre travail a évolué chronologiquement de l’étude paramétrique numérique, vers la mise en ouvre expérimentale d’une démarche destinée a révéler le rôle moteur des contraintes dans la diffusion de matière.Différentes sources de contraintes mécaniques ont tout d'abord été analysées numériquement a travers leurs impacts sur le processus de diffusion d'oxygène dans un métal (Zr) ou une céramique (UO2) soumis à un environnement oxydant. Cette approche a permis entre autres : de dégager un procédé de traitement de surface (grenaillage) susceptible d'engendrer un champs de contraintes résiduelles particulier comme préalable à la mise en ouvre d'une étude expérimentale destinées à valider les conclusions numériques ; de mettre en évidence le caractère stabilisateur de la contrainte sur la morphologie ondulée d'une interface oxyde/métal (cas du Zr).Dans l'approche expérimentale, différents outils ont été exploités pour caractériser le matériau (SDL, MEB, ATG, MTI, microdureté). Ils ont permis la mise en évidence d'une influence forte de la durée de grenaillage sur le ralentissement de l'oxydation. L’analyse comparative des résultats expérimentaux et de simulations est révélatrice d’intéractions fortes entre les champs de contraintes et de composition induits par les différents traitements (grenaillage et/ou pré-oxydation)

The aim of this PhD work is to highlight the interactions between the mechanical stress and the chemical composition within diffusion of matter process for a reactive solid. The chronological evolution of our work goes from a parametric numerical study to an experimental study and reveals the role of mechanical stresses on the oxygen diffusion process.Different origins of mechanical stress were first numerically analysed from the point of view of their impacts on the process of oxygen diffusion into a metal (Zr) or a ceramic (UO2) subjected to an oxidizing environment. This approach allowed us: to identify a surface treatment (shot-peening) able to generate a residual specific stress field, as a starting point for an experimental study implementation in order to validate the numerical study conclusions; to highlight the ability of the stress field on the stabilisation of the morphology of an undulated metal/oxide interface (case of Zr).In the experimental approach, different technics were used to characterize the material (GDOS, SEM, TGA, hole-drilling method, micro-hardness tests). They permitted the detection of a strong influence of shot-peening on the oxidation rate. The comparison of experimental and numerical simulation results reveals strong interactions between stress and compositions fields induced by the different treatments (shot-peening and/or pre-oxidation)