Caractérisation et modélisation de la recristallisation du zircaloy-4 lors de la mise en forme à chaud

Characterization and modeling of zircaloy-4 recrystallization during hot forming

• Auteur / Autrice : Victor Grand
• Direction : Marc Bernacki
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 05/12/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Frank Montheillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Bernacki, Lukasz Madej, Javier Signorelli, Pierre Barberis, Nathalie Bozzolo, Baptiste Flipon, Alexis Gaillac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lukasz Madej, Javier Signorelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Travail à chaud

Traitement thermomécanique

Zirconium -- Alliages

Mots clés libres

Recristallisation continue

Déformation à chaud

EBSD

Zircaloy-4

Modélisation en champ complet

Level-set

Techniques de caractérisation

Essais thermomécaniques

Hot forming

Zirconium-4

Continuous recrystallization

Full-field modeling

Level-set

Characterization

EBSD

Thermomechanical testing

Résumé

Du fait de leur faible section de capture neutronique et de leurs propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion, les alliages de zirconium sont utilisés dans l'industrie nucléaire depuis de nombreuses décennies. Les procédés de fabrication utilisés sont complexes et comprennent plusieurs étapes de déformation et de traitement thermique. Chacune des étapes de transformation doit remplir deux objectifs : converger vers la géométrie finale des produits en assurant l'absence de défauts et fournir aux produits une microstructure capable de résister aux sollicitations auxquelles l'assemblage de combustible est soumis tout au long de sa vie dans le réacteur. Par conséquent, et afin de répondre aux exigences de sûreté élevées du domaine nucléaire, il est nécessaire de connaître et maîtriser les évolutions de microstructure lors de la mise en forme et des traitements thermiques. Par ailleurs, le développement d'outils numériques fiables à l'échelle de la microstructure est donc d'un intérêt crucial.Dans cet objectif, un grand nombre de microstructures déformées à chaud ont été caractérisées par EBSD afin de déterminer l'influence des conditions thermomécaniques et de la microstructure initiale sur les évolutions microstructurales du zircaloy-4. Ces données ont ensuite été confrontées aux résultats obtenus à l'aide de simulations en champ complet à l'échelle mésoscopique. Plus précisément, une approche de type Level-Set, intégrée dans un environnement éléments finis, et enrichie sur la base du modèle de Gourdet-Montheillet, a été validée. Cette implémentation permet de reproduire des mécanismes de recristallisation continue en régimes dynamique et post-dynamique et améliore donc la capacité de prédiction des modèles dans le cas de la recristallisation du zircaloy-4. Les résultats, expérimentaux et numériques ont permis de quantifier l'influence de la microstructure initiale mais également de discriminer les caractéristiques de la microstructure qui conditionnent les évolutions observées. Les limitations actuelles de l'approche ont également été discutées.

Due to their low neutron-capture cross-section, their good mechanical properties and their resistance to corrosion, zirconium alloys are used in nuclear industry for several decades. The manufacturing processes are complex and include several deformation and heat treatment stages. Each of these steps must fulfill two criteria: getting closer to the final product shape without any defect and provide to final product a microstructure suited to withstand the severe conditions in nuclear reactors. Consequently, and to fulfill the high security requirements of nuclear industry, it is necessary to understand and master the microstructure evolution during the forming and heat treatment processes. Moreover, the development of predictive numerical tools at the mesoscopic scale is thus of paramount importance.To that end, many hot deformed microstructures were characterized by EBSD to determine the impact of thermomechanical conditions and of initial microstructure upon microstructure evolution of zircaloy-4. These data have been compared to full-field simulation results at the mesoscopic scale. To do so, Gourdet-Montheillet laws were introduced into a Level-Set model, embedded into a finite element framework and the results validated. This implementation enables to simulate continuous recrystallization mechanisms for dynamic and post-dynamic conditions and thus to improve the model ability to simulate recrystallization of zircaloy-4. Experiment and simulation results have enabled to quantify the influence of initial microstructure and to discriminate which microstructural features condition the observed mechanisms. The current limitations of the developed approach were also discussed.