Rupture ductile des matériaux CFC irradiés

Ductile fracture of FCC irradiated materials

• Auteur / Autrice : Pierre-Olivier Barrioz
• Direction : Benoît Tanguy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 08/01/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche sur les sciences de la matière (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Thomas Pardoen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Tanguy, Jacques Besson, Olivier Hubert, Jérémy Hure
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Andrieu, Philippe Pareige

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier -- Rupture

Acier inoxydable austénitique

Matériaux -- Effets des rayonnements

Mots clés libres

Acier austénitique

Matériaux irradié

Croissance de cavités

Void growth

Austenitic steel

Irradiated materials

Résumé

Le mode de rupture des alliages CFC est généralement de type ductile par des mécanismes de germination, croissance et coalescence de cavités internes micrométriques et peut être modifié par l’irradiation. L’irradiation neutronique de ces alliages conduit à la création de défauts cristallins qui induisent un durcissement, une perte de la capacité d’écrouissage, une chute très importante de la ténacité et un mode de déformation localisé à l’échelle intragranulaire. La compréhension des mécanismes physiques élémentaires de la rupture ductile est indispensable au développement de modèles quantitatifs pour prédire la ténacité des matériaux CFC irradiés. Pour cela, trois différents points ont été étudiés dans cette thèse : (1) L’influence de la localisation de la déformation induite par l’irradiation sur la croissance et la coalescence de cavités : des expériences modèles in-situ MEB de croissance et coalescence de cavités micrométriques dans des matériaux irradiés aux protons ont été réalisées. Les résultats montrent un effet limité de la localisation pour des cavités de la taille des grains et une diminution de l’influence de la localisation avec l’augmentation du niveau de déformation pour des cavités intragranulaires. Par conséquent, les modèles homogénéisés de matériaux poreux développés pour les matériaux non irradiés pourraientt être utilisés en première approximation pour modéliser la rupture ductile des matériaux irradiés. (2) Le comportement sous chargement mécanique de nano-porosités d’irradiation et leur contribution éventuelle à la rupture : l’étude expérimentale et numérique de la déformation de cavités dans un matériau nanoporeux a permis de mettre en évidence la très forte hétérogénéité de la déformation à cette échelle et l’absence d’effet de taille significatif sur la déformation des cavités de diamètre supérieur à 10 nm en traction simple. (3) Le développement de modèles homogénéisés de matériaux poreux valides aux fortes porosités : deux nouveaux critères de coalescence obtenus par analyse limite sont proposés et validés par comparaison à des simulations d’analyses limites numériques, dans le cas de cavités de type fissures et de cavités ellipsoïdales.

The failure mode of FCC alloys is generally ductile through nucleation, growth and coalescence of micrometric voids, and can be modified by irradiation. Neutron irradiation of these alloys leads to the creation of crystalline defects that induce hardening, loss of work hardening capability, a very large drop in fracture toughness and a heterogeneous deformation mode at the grain scale. Understanding the elementary physical mechanisms of ductile fracture is essential for the development of quantitative models to predict fracture toughness of irradiated FCC materials. Thus, in this thesis, three different subjects have been studied. (1) Influence of the localization of deformation induced by irradiation on void growth and coalescence: Model experiments of growth and coalescence of micrometric voids in proton-irradiated materials have been performed based on SEM in-situ tests. Results show a limited effect of localization for grain-size voids and a decreasing influence of localization with increasing level of deformation for intragranular voids, so that homogenized models of porous materials developed for unirradiated materials may be used as a first approximation to model the ductile fracture of irradiated materials. (2) The behavior under mechanical loading of nanovoids generated under irradiation and their possible contribution to fracture: The experimental and numerical study of void deformation in a nanoporous material highlights the very strong heterogeneity of the deformation at this scale and the absence of significant size effect for voids of diameter greater than 10 nm under tensile loading. (3) Development of homogenized models for porous materials valid at high porosities: Two new coalescence criteria obtained by limit analysis are proposed and validated by comparison with numerical limit analysis simulations, in the case of penny-shaped cracks and ellipsoidal voids.