Single crystal and polycrystalline niobium and OFE copper for SRF cavities applications : mechanical characterization at low to high strain rates and microstructural investigations

par Jean-François Croteau

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Nicolas Georges Marcel Jacques.

Soutenue le 28-05-2021

à Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) , en partenariat avec Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL (laboratoire) , I-Cube Research (Toulouse) (entreprise) et de Bmax (Toulouse) (entreprise) .

Le président du jury était Guillaume Kermouche.

Le jury était composé de Claire Antoine, Elisa Cantergiani, Gilles Mazars.

Les rapporteurs étaient Salima Bouvier, Alexis Rusinek.

  • Titre traduit

    Niobium monocristallin et polycristallin et cuivre OFE pour les cavités SRF : caractérisation mécanique de basse à haute vitesse de déformation et investigation de la microstructure


  • Résumé

    La fabrication de cavités SRF à hautes performances est essentielle pour augmenter l’énergie de collision dans de nouveaux accélérateurs de particules. L’utilisation de procédés de fabrication à haute vitesse, comme l’électro-hydro formage, peut être bénéfique, mais requiert une compréhension détaillée des propriétés mécaniques des matériaux déformés à haute vitesse et de l’impact sur leurs microstructures. Les objectifs de cette thèse sont d’étudier les propriétés mécaniques de monocristaux de niobium et de tôles polycristallines de niobium à haute pureté et de cuivre OFE déformés à des taux de déformation d’environ 10−4 s−1 à 103 s−1. Les résultats de cette étude sont séparés en deux parties selon le matériau étudié. En partie I, la caractérisation de monocristaux de niobium se concentre sur les propriétés mécaniques en traction et en compression à des taux de déformation d’environ 10−4 s−1 à 103 s−1 et sur la microstructure (MEB, EBSD, MET et nanoindentation) d’éprouvettes déformées. Les effets de l’orientation des cristaux, la vitesse de déformation et de la direction de chargement sur les propriétés mécaniques, la rotation des cristaux et la structure de dislocations sont présentés. En partie II, la formabilité de tôles polycristallines de niobium et de cuivre OFE sont présentées à l’aide de courbes limites de formage (CLF) obtenues à un taux de déformation quasi-statique. Les CLFs de ces matériaux offrent des données importantes pour les techniques de formage conventionnel, tels que l’emboutissage et le repoussage. Cette seconde partie présente aussi les propriétés mécaniques d’éprouvettes de cuivre OFE recuites et de tôles de niobium polycristallines soudées par faisceau d’électron et déformées en traction et en compression à des taux de déformation de 10−3 à 103 s−1.


  • Résumé

    Manufacturing of superconducting radiofrequency (SRF) cavities with high performances is paramount to increase the collision energy in new particle accelerators. The use of high-speed sheet forming techniques, such as electro-hydraulic forming, can be beneficial, but requires a detailed understanding of the mechanical properties of the materials being deformed and the consequence on their microstructure. This thesis focuses on the characterization of high-purity niobium single crystals, polycrystalline niobium sheets, and polycrystalline OFE copper sheets. The results from this study are separated in two parts. In Part I, the characterization of niobium single crystals focused on the mechanical properties in tension and compression at strain rates of 10-4 to 103 s-1 and on the microstructure (analyzed using SEM, EBSD, TEM, and nanoindentation) of the deformed specimens. The effect of crystal orientation, strain rate, and loading direction on the mechanical properties, the crystal rotation, and the dislocation substructures are presented. In Part II, the forming limit diagram (FLD) of polycrystalline niobium sheets and OFE copper sheets were measured at a quasi-static strain rate. The FLDs of those materials should provide important data for manufacturers using conventional techniques, such as deep-drawing and spinning. The second part also presents the mechanical properties of electron beam (EB) welded polycrystalline niobium sheets and OFE copper sheets deformed in tension and compression at strain rates of 10-3 to 103 s-1.


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