Thèse soutenue

Approche micromécanique et modélisation de la rupture intergranulaire : application à la corrosion sous contrainte assistée par l'irradiation

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Auteur / Autrice : Rachma Azihari
Direction : Marc LegrosJérémy Hure
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique de la matière
Date : Soutenance le 17/05/2023
Etablissement(s) : Toulouse 3
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)
Jury : Président / Présidente : Eric Andrieu
Examinateurs / Examinatrices : Marc Legros, Jérémy Hure, Cécilie Duhamel, Guillaume Kermouche, Philippe Pareige, Jean-Marie Gatt
Rapporteurs / Rapporteuses : Cécilie Duhamel, Guillaume Kermouche

Résumé

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L'objet de ces travaux de thèse est la fissuration intergranulaire des aciers inoxydables austénitiques (304(L), 316(L)) causée par le phénomène de corrosion sous contraintes assistée par l'irradiation (Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking IASCC). La dégradation du matériau résulte de la synergie entre sa sensibilité à la corrosion, un environnement corrosif, la présence d'un chargement mécanique et la présence de l'irradiation. La modélisation et la prédiction de ce phénomène reste à ce jour un défi, en particulier du fait du manque de données quantitatives concernant le comportement du matériau à l'échelle du grain et les propriétés de rupture des joints de grains. Pour obtenir ces données sur des aciers inoxydables austénitiques oxydés en milieu REP, nous avons utilisé ici une approche micromécanique. La première partie de la thèse est une étude bibliographique qui permet d'une part de faire la synthèse des données disponibles sur le comportement mécanique des matériaux soumis à l'IASCC et d'autre part de passer en revue les avantages et inconvénients des différents essais micromécaniques disponibles. Ces essais de compression à température ambiante sur micro-piliers cylindriques sont décrits dans une deuxième partie. Usinés par FIB sur des échantillons non irradiés et irradiés aux protons, ces micro-piliers monocristallins ont des diamètres de 3 à 10µm et permettent de quantifier le durcissement associé à l'irradiation, le possible effet de taille et la dispersion des propriétés mécaniques. L'effet de taille se traduit par une diminution de la limite d'élasticité de 40% entre les piliers de 3µm et 10µm ainsi qu'une moindre dispersion de leur propriétés mécaniques à l'état non irradié. Cet effet est quasi inexistant sur les piliers à l'état irradié. On note cependant une augmentation de la limite d'élasticité suite à l'irradiation qui est bien entendu reliée à l'évolution et à la densification de la microstructure de défauts. Des simulations numériques par éléments finis sont effectuées pour analyser ces essais et valider les paramètres de la loi de comportement de plasticité cristalline utilisée. Un modèle est également proposé permettant de reproduire les effets de taille et de dispersion observés à l'état non irradié. Dans une troisième partie, des essais de flexion de micro-poutres à température ambiante sont réalisés afin de déterminer les propriétés à rupture des joints de grains oxydés. Le protocole est mis en place avec un acier austénitique modèle sensible à la corrosion et à la fissuration intergranulaire. Cette sensibilité est vérifiée à partir d'essais de traction lente en milieu REP. D'autres échantillons de cet acier modèle ont été oxydés jusqu'à 7470hheures en milieu REP. L'analyse des oxydes en MET permet de rapprocher leurs compositions des spinelles couramment rencontrés sur les aciers austénitiques. Des micro-poutres localisées aux joints de grains ont été usinées par FIB. Des modèles analytiques et des simulations numériques par éléments finis ont été utilisés pour estimer l'énergie surfacique de rupture et de contrainte critique des oxydes intergranulaires. Enfin, dans une quatrième partie, les essais et simulations de flexion sur micro-poutres mis en place lors de l'élaboration du protocole d'étude sur l'acier modèle sont réalisés sur le matériau d'intérêt 304L pour estimer l'énergie surfacique de rupture et de contrainte critique des oxydes. L'acier 304L est testé à l'état irradié et non irradié. Les valeurs obtenues sont en accord qualitatif avec les données de l'acier austénitique modèle même si dans le cas de l'acier 304L, la rupture survient après une large déformation plastique car l'oxydation est faible pour le 304L comparé à l'acier modèle.