Fatigue à haute température des alliages Cu-Al2O3 utilisés pour les absorbeurs de photons

High temperature fatigue of Cu-Al2O3 alloys used for crotch absorber

• Auteur / Autrice : Abderrazak Daoud
• Direction : Jean-Bernard Vogt, Éric Charkaluk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Molécules et matière condensée
• Date : Soutenance le 01/07/2013
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMET - Unité Matériaux et Transformations

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement synchrotron

Dislocations dans les métaux

Anisotropie

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Alumine

Modèles mathématiques

Fatigue thermique

Cuivre -- Alliages

Mots clés libres

Plasticité cyclique

Résumé

Les absorbeurs de photons, tels que ceux présents à l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), sont soumis à des cyclages thermo mécaniques en raison du caractère pulsé et d’intensité variable du faisceau X auquel il est soumis. L’ambition d’accroitre les intensités de faisceau implique une connaissance et une compréhension des mécanismes d’endommagement par fatigue thermique des matériaux constitutifs de l’absorbeur et leur modélisation. L’objectif de la thèse consiste donc à répondre à ces questions.Une étude métallurgique des matériaux constitutifs de l’absorbeur a d’abord été réalisée. Ce composant comprend une partie en Glidcop AL-15 qui reçoit le faisceau de rayons X, un circuit de refroidissement et une plaque en cuivre OFHC, le tout relié par une brasure. Le Glidcop AL-15 est un cuivre pur renforcé par une fine dispersion d’oxydes d’alumine Al2O3 obtenu par oxydation interne d’un alliage Cu-Al. Les comportements monotone et cyclique des deux matériaux, Glicop AL15 et cuivre OFHC, ont été étudiés dans une large gamme de température [20-600°C] et de vitesse de déformation [10-2-10-4 S-1]. Nous montrons que le Glidcop AL-15 présente des caractéristiques mécaniques et de résistance à la fatigue nettement supérieures à celles du cuivre OFHC. A partir d’analyses au MEB et au TEM des éprouvettes post mortem, il apparait que, l’ajout de nanoparticules d’Al2O3 ne modifie pas de manière radicale le mode de glissement des dislocations. Le rôle de l’anisotropie résultant du procédé de fabrication est mis en évidence. A haute température, un modèle viscoplastique de type Chaboche avec un écrouissage cinématique non linéaire, et une viscosité non-linéaire, a été choisi. Un critère de ruine est finalement discuté afin de prédire la durée de vie des absorbeurs sous leurs nouvelles conditions d’utilisation.

Crotch absorbers, such as used at ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), are subjected to thermo mechanical cycling since they are submitted to a pulsed X beam of variable intensity. Since the wish is to increase beam intensities, then the identification and understanding of thermal fatigue damage mechanisms of materials present in the crotch absorber and their modeling become necessary. The PhD thesis aimed at answering these questions. A metallurgical investigation of the materials that constitute the crotch absorber has been carried out. This component comprises a part made of Glidcop AL-15 which catch the X ray beam, a cooling system and an OFHC copper plate, all being assembled by brazing. Glidcop AL-15 is a pure copper matrix reinforced with a fine dispersion of Al2O3 nanoparticles and is elaborated by internal oxidation of a Cu-Al alloy. Monotonic and cyclic behaviours of Glicop AL15 and OFHC copper have been studied in a wide range of temperatures [20-600°C] and of strain rates [10-2-10-4 s-1]. It is shown that Glidcop AL-15 exhibited mechanical properties and fatigue resistance much better than those of OFHC copper. From SEM and TEM analysis of post mortem specimens, it is found that the presence of Al2O3 nanoparticules did not modify very much the slip mode of dislocations. The role of anisotropy resulting from the manufacturing process is then pointed out. At high temperature, a viscoplastic material model of the Chaboche type with a non linear kinematic hardening and a non-linear viscosity has been chosen. Finally, a fatigue damage criterion is discussed in order to predict the fatigue life of crotch absorbers according to their new use conditions.