Дисертації з теми "Oxydes – Fissuration"

Le développement des réacteurs nucléaires de quatrième génération nécessite l’amélioration des matériaux de gainage combustible, afin de résister à des températures, des contraintes et des doses d’irradiation plus élevées. Le renforcement des aciers ferritiques, peu sensibles au gonflement sous irradiation, par de nano-oxydes permet d’obtenir une bonne résistance mécanique à haute température. Cependant, les études publiées sur ces matériaux dans la littérature ouverte mettent en évidence un comportement inusuel en fluage : une forte anisotropie en résistance à l’écoulement comme en durée de vie, une faible ductilité et un stade de fluage tertiaire quasiment inexistant. L’origine de ces phénomènes, encore mal connue, est abordée dans ces travaux de thèse.Trois nuances d’acier ODS à 14 %Cr ont été étudiées. Leur comportement macroscopique est similaire à celui des nuances de la littérature ouverte. La rupture en fluage des éprouvettes lisses procède par amorçage et propagation d’une fissure depuis la surface latérale, suivis d’une déchirure ductile lorsque le facteur d’intensité des contraintes critique est atteint en fond de fissure. Les propriétés de traction et de fluage ne sont cependant pas notablement affectées par l’environnement chimique des éprouvettes. Les essais de fissuration à 650°C montrent une faible valeur du facteur d’intensité des contraintes à l’amorçage et un mécanisme de propagation de fissure intergranulaire, préférentiellement au travers des zones à plus petits grains du matériau, qui explique en partie l’anisotropie de la résistance à la rupture à haute température. L’utilisation d’éprouvettes entaillées a permis d’étudier l’impact des paramètres de premier ordre (vitesse de déformation, température, triaxialité des contraintes) sur l’amorçage et la propagation stable de fissures intergranulaires macroscopiques depuis le cœur des éprouvettes. Ces essais ont permis de révéler des cavités formées à haute température mais non exposées à l’environnement. Ces cavités révèlent une forte réactivité chimique des surfaces libres (internes) du matériau. Les essais réalisés mettent également en évidence différentes natures de joints entre les petits grains, présentant des modes d’endommagement différents. L’origine de ces différentes natures de joints de grains reste à explorer
The development of the fourth generation of nuclear power plants relies on the improvement of cladding materials, in order to achieve resistance to high temperature, stress and irradiation dose levels. Strengthening of ferritic steels through nano-oxide dispersion allows obtaining good mechanical strength at high temperature and good resistance to irradiation induced swelling. Nonetheless, studies available from open literature evidenced an unusual creep behavior of these materials: high anisotropy in time to rupture and flow behavior, low ductility and quasi-inexistent tertiary creep stage. These phenomena, and their still unclear origin are addressed in this study.Three 14Cr ODS steels rods have been studied. Their mechanical behavior is similar to those of other ODS steels from open literature. During creep tests, the specimens fractured by through crack nucleation and propagation from the lateral surfaces, followed by ductile tearing once the critical stress intensity factor was reached at the crack tip. Tensile and creep properties did not depend on the chemical environment of specimens. Crack propagation tests performed at 650°C showed a low value of the stress intensity factor necessary to start crack propagation. The cracks followed an intergranular path through the smaller-grained regions, which partly explains the anisotropy of high temperature strength.Notched specimens have been used to study the impact of the main loading parameters (deformation rate, temperature, stress triaxiality) on macroscopic crack initiation and stable propagation, from the central part of the specimens.These tests allowed revealing cavities created during high temperature loading, but unexposed to the external environment. These cavities showed a high chemical reactivity of the free surfaces in this material. The performed tests also evidenced different types of grain boundaries, which presented different damage development behaviors, probably due to differences in local chemistry. The nature of these grains boundaries and their origin are still to be explained

Dans le contexte général lié aux économies d’énergie, l’amélioration sensible du rendement des turbines à gaz (aéronautiques ou terrestres), nécessitera d’augmenter notablement la température des gaz de combustion. Cela implique l’emploi de matériaux stables au-delà de 1 500°C. Les céramiques eutectiques préparées par solidification dirigée, à partir des systèmes Al2O3 - Ln2O3 (où Ln représente un élément lanthanide ou l’yttrium) sont une solution envisageable. En effet, leur microstructure, constituée d’un réseau interpénétré 3D de deux phases monocristallines, et exempte de pores, de colonies et de joints de grains, confère à ces systèmes eutectiques des propriétés mécaniques d’un bon niveau, et quasi-constantes jusqu’à des températures proches de leur température eutectique (> 1 700°C). Nos travaux ont consisté à élaborer plusieurs systèmes eutectiques binaires et ternaires, par ajout d’une phase ZrO2 renforçante. Les six systèmes présentant les microstructures les plus prometteuses (3 binaires : Al2O3 - Y3Al5O12, Al2O3 - Er3Al5O12, Al2O3 - GdAlO3, et 3 ternaires : Al2O3 - Y3Al5O12 - ZrO2, Al2O3 - Er3Al5O12 - ZrO2, Al2O3 - GdAlO3 - ZrO2) ont été retenus pour étudier certaines de leurs propriétés mécaniques. Plusieurs modes de fissuration, allant dans le sens de l’augmentation de ténacité détectée dans ces systèmes, ont été décelés après des essais de flexion biaxiale. Ces modes de fissuration ont été corrélés aux caractéristiques microstructurales et à la distribution des contraintes résiduelles, déterminées par le calcul et mesurées par une méthode piézo-spectroscopique. Enfin, l’étude du comportement en fluage à haute température a permis de mettre en évidence une évolution des mécanismes de déformation en fonction des conditions de sollicitation. L’étude MET post mortem a également souligné l’influence marquée du caractère interconnecté de la microstructure sur le comportement en fluage
In the general context of energy savings at a global scale, the improvement of the thermal efficiency of both terrestrial and aeronautical gas turbines will require to increase the turbine inlet gas temperature. The development of new materials, stable up to 1 500°C, is thus necessary. In this context, Directionally Solidified Eutectic Ceramics (DSEC), prepared from Al2O3 and Ln2O3-based systems, could be a potential solution. Their microstructure consists of two single-crystal phases continuously entangled in a threedimensional interpenetrating network without grain boundaries, pores or colonies. The outstanding stability of these microstructures gives rise to a high strength and creep resistance at high temperature. Our research consisted first in obtaining, by directional solidification, several eutectic systems, either binary or ternary (with addition of a toughening third ZrO2 phase). The six most promising DSEC (3 binary systems: Al2O3 - Y3Al5O12, Al2O3 - Er3Al5O12, Al2O3 - GdAlO3, and 3 ternary systems: Al2O3 - Y3Al5O12 - ZrO2, Al2O3 - Er3Al5O12 - ZrO2, Al2O3 - GdAlO3 - ZrO2) have then been selected to study some of their mechanical properties. Several crack propagation patterns have been detected after biaxial flexure testing, and partially explain the toughening which has been proven for DSEC. Attention has been paid to the possibility of crack deflection in the various phases and in the phase boundaries, a phenomenon which may markedly improve the toughness of these eutectic ceramics. These observations have been correlated to internal stress calculations and piezo-spectroscopic measurements. Finally, the study of the creep behavior showed that the deformation mechanisms evolve with the macroscopic solicitation (temperature and stress). microstructure. Moreover, post mortem TEM observations exhibited that creep mechanisms are strongly dependant on the entangled microstructure

Cette thèse est un travail sur la caractérisation de l’endommagement des couches d’oxydes thermiques et notamment sur les systèmes métal/oxyde Ni/NiO et Zr/ZrO2. Pour étudier cet endommagement un essai de multifissuration sous MEB a été réalisée en couplant une micromachine de traction avec un suivi par émission acoustique à l’intérieur de la chambre du microscope électronique à balayage. Différents essais ont été réalisés afin de paramétrer le système d’émission acoustique pour s’assurer que les signaux enregistrés proviennent bien des éprouvettes de traction testées. Ce travail a permis de disposer d’un essai permettant d’acquérir les salves d’émission acoustique propres aux endommagements des systèmes Ni/NiO et Zr/ZrO2 en conditions in-situ. Grâce à ce développement technique, il a été possible de proposer des scénarii d’endommagement des systèmes Ni/NiO et Zr/ZrO2 pour deux épaisseurs de couches d’oxyde différentes (1 μm et 5 μm environ) en couplant les informations obtenues par les observations MEB (en surface des éprouvettes au cours des essais de traction, et en coupe transverse après rupture des éprouvettes) et l’analyse des signaux acoustiques enregistrés au cours des essais. L’analyse des scénarii d’endommagement a mis en évidence des différences notables entre les deux systèmes étudiés, mais également des différences au sein d’un même système selon les conditions d’oxydation utilisées pour obtenir les épaisseurs de couches désirées. Au-delà de permettre des propositions de scenarii d’endommagement, l’analyse des salves d’émission acoustique a permis de qualifier des signatures différentes pour les propagations des fissures en mode I et en mode II
This thesis is a work on the characterization of the damage of thermal oxide scales and in particular on the metal/oxide systems Ni/NiO and Zr/ZrO2. To study this damage, a multi-cracking test under SEM was carried out by coupling a traction micromachine with monitoring by acoustic emission inside the chamber of the scanning electron microscope. Various tests were carried out in order to configure the acoustic emission system to ensure that the recorded signals indeed come from the tensile specimens tested. This work made it possible to have a test making it possible to acquire the acoustic emission bursts specific to damage to Ni/NiO and Zr/ZrO2 systems under in-situ conditions. Thanks to this technical development, it was possible to propose damage scenarios for Ni/NiO and Zr/ZrO2 systems for two different oxide scale thicknesses (1 μm and 5 μm approximately) by coupling the information obtained by the SEM observations (on the surface of the specimens during tensile tests, and in cross section after rupture of the specimens) and analysis of the acoustic signals recorded during the tests. The analysis of the damage scenarios revealed notable differences between the two systems studied, but also differences within the same system depending on the oxidation conditions used to obtain the desired scale thicknesses. Beyond allowing proposals for damage scenarios, the analysis of the acoustic emission bursts made it possible to qualify different signatures for the propagation of cracks in mode I and in mode II

L'étude des mécanismes de fissuration est un des points importants de la science des matériaux. Elle fait intervenir à la fois la microstructure intrinsèque des matériaux et les conditions de sollicitation externe. Pour étudier l'influence de la microstructure sur ces mécanismes, nous avons décidé de choisir une large gamme de matériaux céramiques de type oxyde présentant différentes microstructures: différentes tailles de grains, présence éventuelle d'une phase dispersée, de microfissures préexistantes, ou de défauts ponctuels, systèmes cristallins cubiques ou non cubiques. Pour étudier l'effet de la sollicitation, plusieurs méthodes sont testées: essais mécaniques sur SENB {single edge notched beam), CVNB (chevron notched bearn), DT {double torsion} et Indentation. Les expériences sont faites sous air à températures ambiante et en milieu corrosif. La méthode d'indentation retient plus particulièrement notre attention afin d'observer les caractéristiques de la fissuration. Nous avons ainsi développé les points suivants: 1. Technique d'indentation: Un nouveau modèle de fissuration a été établi et une nouvelle formule universelle a été proposée. Cette formule permet de mesurer la ténacité d'un matériau fragile quels que soient la charge appliquée et le profil de fissures induit par l'indentation. Elle permet également de mesurer la ténacité de la surface d'un matériau. Par ailleurs, une autre formule a été développée pour evaluer la valeur du K1scc {le seuil du facteur d'intensité de contrainte dans un milieu donné) d'un matériau. 2. La fissuration par indentation pour différentes tailles de grains montre que le joint de grain résiste à la propagation de la fissure et de cette façon il renforce les matériaux céramiques non cubiques et élève la résistance à la propagation. 3. Une faible teneur en phase dispersée peut diminuer rapidement la taille de grains de la matrice et conduit donc à renforcer les matériaux et à ralentir la propagation de la fissure. 4. La fissuration peut être controlée par les défauts ponctuels. Un champ électrique ou une irradiation aux ultraviolets induisent des défauts et une fragilisation du matériau. Ces défauts dont la nature reste à identifier modifient les processus de relaxation des diélectriques polarisés sous contrainte mécanique et jouent donc un rôle important dans le bilan énergétique qui contrôle la propagation de la fissure. 5. Le renforcement des composites AI203-Zr02 par microfissuration dépend de la teneur en phase monoclinique des composites. Pour les composites renforcés par microfissuration, la fissure est déviée le long des interfaces particules de zircone -matrice d'alumine, ce qui augmente la ténacité mais diminue la résistance à la rupture. 6. Le renforcement des composites AI203-Zr02 par transformation martensitique dépend de la possibilité de la transformation de phase sous contrainte. Dans ce cas, la propagation de la fissure peut traverser les grains de zircone. Ce renforcement augmente la ténacité, élève la résistance à la rupture, et ralentit la vitesse de propagation des fissures
The investigation on the cracking mechanism is very important for the materials science. It is related to the microstructure of materials and to the applied charge. For studying the influence of microstructure on the mechanism, we have decided to choose a large range of oxide ceramic materials containing different microstructures: different grain sizes, dispersed phase, pre existent micro cracks, point defects, cubic and non cubic crystalline systems. For studying the effect of applied charge, several experimental methods have been used: SENS (single edge notched bearn), CVNB (chevron notched beam), DT (double torsion) and indentation. The experiment has been done in air and in corrosive medium. We have especially studied the indentation method for proposing a universal formula, and investigated the crack characteristics for fining out the mechanism with microstructure. We have developed the following points: 1. The indentation technique has been developed. A new cracking model has been established and a new universal formula has been proposed. This formula can be used to calculate the fracture toughness of brittle materials in spite of the applied load and of the crack profile induced by indentation and it allows also to measure the fracture toughness of material surface. Moreover, an other formula has been developed for evaluating the values of Kiscc (threshold of stress intensity factor) of materials merged in corrosive environment. 2. The indentation crack for different grain sizes shows that the grain boundary resists the crack propagation so that it toughens the non cubic ceramic materials and increases the resistance of propagation. 3. A weak content of second phase can decrease rapidly the grain size of the matrix and lead to toughen the materials and to slow dawn the velocity of crack propagation. 4. The cracking is controlled by the point defects. The electric field or ultraviolet irradiation can induce some defects to bitten the materials. These defects whose nature is to be identified modify the relaxation process of polarized dielectrics under stress and play therefore an important role in the energy balance which contrats the crack propagation. 5. The toughening of the composites AI203·Zr02 by micro crack depends on the content of monoclinic phase in the composites. For the composites toughened by micro crack, the crack is deflected following the interfaces particles - matrix, so that to increase the fracture toughness but to decrease the rupture strength. 6. The toughening of the composites AI203-Zr02 by martensitic transformation depends on the phase transformation possibility of particles Zr02 under stress. Ln such case, the crack propagation can traverse the grain of zirconia. Such toughening increases the fracture toughness and the rupture strength, and slows dawn the velocity of crack propagation

Dans le contexte actuel, les enjeux environnementaux mettent au défi les motoristes en imposant une réduction importante des émissions de CO2 et de NOx. Ceci a entraîné le développement de superalliages base nickel γ/γ′ afin d'assurer de bonnes propriétés mécaniques en traction, en fatigue et en oxydation des disques de turbine. L’AD730TM a été élaboré pour des applications jusqu’à 700°C et les mécanismes d’amorçage et de propagation de fissures doivent être étudiées.Les inclusions non métalliques sont des éléments microstructuraux fragiles et sensibles à l’oxydation. Ils peuvent agir comme des sites de concentrations de contraintes importants et être à l’origine d’un amorçage de fissure. Des campagnes de fatigue oligocyclique menées à450°C et 700°C ont permis de déterminer les conditions d’essais favorisant un amorçage de fissure sur ces inclusions. Les faciès de rupture ont révélés que les inclusions sont à l’origine de la rupture des éprouvettes quand les effets de l’environnement sont limités et que le taux de déformation ou de contrainte appliqué est relativement élevé.Afin de mieux comprendre les paramètres favorisant la fissuration des inclusions, des essais d’oxydation statiques et des essais de traction in situ dans la chambre d’un MEB ont été réalisés. Ils ont notamment permis de mettre en évidence l’expansion volumique importante et la fissuration des oxydes de niobium ainsi que de déterminer un seuil de contrainte de fissuration des inclusions. Afin de compléter les essais de fatigue, des essais de fissuration ont été effectués pour estimer la durée passée en amorçage de fissure en fonction de la température et du taux de contrainte appliqué. Cette durée s’est révélée être courte lors d’un amorçage de fissure sur inclusions
Nowadays, original engine makers are challenged by the environmental requirements imposing drastic decrease of CO2 and NOx emissions. It leads to the development of γ/γ′ nickel-based superalloys to ensure good tensile and fatigue properties and a good oxidation behavior of turbine discs. AD730TM was elaborated for applications up to 700°C and the crack initiation and propagation mechanisms this alloy need to be investigated. Non-metallic inclusions are brittle elements that are sensitive to oxidation. They can act as stress concentration sites and can lead to crack initiation. Low cycle fatigue tests were performed at 450°C and 700°C to determine the tests conditions promoting a crack initiation from such inclusions. Fractographic analyzes revealed that inclusions lead to the specimen fracture when the environmental effects are limited and at high strain or stress ranges.In order to better understand the parameters promoting inclusions cracking, oxidation and in situ tensile tests in a SEM chamber were performed. They highlighted an important volume expansion and the cracking of niobium oxides. A stress threshold necessary to crack inclusions was also determined. To improve the fatigue tests understanding, crack propagation tests were carried out to estimate the crack initiation time according to the temperature and the stress range applied. This crack initiation time is shorter when the cracks initiate within inclusions

La réaction d'un métal à un environnement agressif tel que des changements thermiques cycliques est souvent caractérisée par la formation et la propagation d'une couche d'oxyde sur le métal. Cette couche ainsi formée a tendance à protéger le métal vis-à-vis d'une attaque ultérieure. Plusieurs sources de contraintes peuvent entraîner la dégradation de la couche d'oxyde. Parmi elles, les contraintes liées aux relations d'épitaxie entre le métal et l'oxyde sont particulièrement importantes. La théorie physique présentée permet de déterminer les déformations de croissance correspondantes en tenant compte de la possible structure duplex de la couche d'oxyde. Les résultats obtenus sont utilisés dans des modèles numériques 1 D et 2D/3D. Le modèle unidimensionnel prend en compte la possibilité de flexion de l'éprouvette sous l'effet de la croissance d'oxyde et permet de modéliser des tests de déflexion. Cependant, fil n'est pas adapté à la modélisation de phénomènes plus complexes tels que la fissuration, Le modèle 2D/3D permet de remédier à cet inconvénient. Il prend en compte la possibilité d'avoir un ordre de singularité des contraintes en fond de fissure différent de la valeur de 0. 5 couramment utilisée. Des éléments finis enrichis sont employés en fond de fissures afin d'obtenir des résultats fiables. Les résultats obtenus sont comparés avec l'expérience et permettent d'amener des précisions concernant la fissuration périodique en traction des couches minces.

Le travail de thèse porte sur la fissuration des pastilles combustible UO2 des réacteurs à eau pressurisée, et ses conséquences sur le comportement mécanique du crayon combustible. La fissuration conduit : d’une part, à une importante relaxation des contraintes dont dépendent la plupart des autres phénomènes mécaniques et physicochimiques, d’autre part, à la fragmentation de la pastille. Sa prise en compte est nécessaire pour une description correcte du chargement mécanique de la gaine au cours de l’irradiation. L’approche locale de la rupture a été adoptée pour décrire la fissuration de la pastille. Des considérations pratiques nous ont amenés à privilégier une description quasi-statique de la fissuration du combustible à l’aide de modèles d’endommagement local. Ces modèles décrivent l’apparition de fissures par une perte de rigidité locale du matériau. Une telle description présente des difficultés de mise en oeuvre, telles que des dépendances des résultats au maillage éléments finis et des évolutions discontinues de l’équilibre de la structure lors de propagations instables. Ces points ont fait l’objet d’une attention particulière car ils conditionnent l’utilisation de tels modèles dans les études combustibles. Le travail effectué s’inscrit en support des différents schémas de calculs du code ALCYONE développé au DEC/SESC au sein de la plateforme PLEIADES. Pour chacun de ces schémas, qui se différencient par les hypothèses de modélisation géométrique du crayon, nous avons proposé une modélisation des effets de la fissuration de la pastille. La modélisation dite 2D axisymétrique du crayon combustible est la plus novatrice et a été de ce fait particulièrement étudiée. Nous montrons qu’elle est à même de rendre compte, grâce à une description appropriée de la fissuration du combustible, des principaux changements géométriques du crayon combustible intervenant en situation de fonctionnement normal ou incidentel
This thesis aims to model the cracking of pressurised water reactor fuel pellets and its consequences on the mechanical behaviour of the fuel rod. Fuel cracking has two main consequences. It relieves the stress in the pellet, upon which the majority of the mechanical and physico-chemical phenomena are dependent. It also leads to pellet fragmentation. Taking fuel cracking into account is therefore necessary to adequately predict the mechanical loading of the cladding during the course of an irradiation. The local approach to fracture was chosen to describe fuel pellet cracking. Practical considerations brought us to favour a quasi-static description of fuel cracking by means of a local damage models. These models describe the appearance of cracks by a local loss of rigidity of the material. Such a description leads to numerical difficulties, such as mesh dependency of the results and abrupt changes in the equilibrium state of the mechanical structure during unstable crack propagations. A particular attention was paid to these difficulties because they condition the use of such models in engineering studies. This work was performed within the framework of the ALCYONE fuel performance package developed at CEA/DEC/SESC which relies on the PLEIADES software platform. ALCYONE provides users with various approaches for modelling nuclear fuel behaviour, which differ in terms ofthe type geometry considered for the fuel rod. A specific model was developed and implemented to describe fuel cracking for each of these approaches. The 2D axi-symmetric fuel rod model is the most innovative and was particularly studied. We show that it is able to assess, thanks to an appropriate description of fuel cracking, the main geometrical changes of the fuel rod occurring under normal and off-normal operating conditions

Dans le contexte général lié aux économies d'énergie, l'amélioration sensible du rendement des turbines à gaz (aéronautiques ou terrestres), nécessitera d'augmenter notablement la température des gaz de combustion. Cela implique l'emploi de matériaux stables au-delà de 1 500°C. Les céramiques eutectiques préparées par solidification dirigée, à partir des systèmes Al2O3 - Ln2O3 (où Ln représente un élément lanthanide ou l'yttrium) sont une solution envisageable. En effet, leur microstructure, constituée d'un réseau interpénétré 3D de deux phases monocristallines, et exempte de pores, de colonies et de joints de grains, confère à ces systèmes eutectiques des propriétés mécaniques d'un bon niveau, et quasi-constantes jusqu'à des températures proches de leur température eutectique (> 1 700°C). Nos travaux ont consisté à élaborer plusieurs systèmes eutectiques binaires et ternaires, par ajout d'une phase ZrO2 renforçante. Les six systèmes présentant les microstructures les plus prometteuses (3 binaires : Al2O3 - Y3Al5O12, Al2O3 - Er3Al5O12, Al2O3 - GdAlO3, et 3 ternaires : Al2O3 - Y3Al5O12 - ZrO2, Al2O3 - Er3Al5O12 - ZrO2, Al2O3 - GdAlO3 - ZrO2) ont été retenus pour étudier certaines de leurs propriétés mécaniques. Plusieurs modes de fissuration, allant dans le sens de l'augmentation de ténacité détectée dans ces systèmes, ont été décelés après des essais de flexion biaxiale. Ces modes de fissuration ont été corrélés aux caractéristiques microstructurales et à la distribution des contraintes résiduelles, déterminées par le calcul et mesurées par une méthode piézo-spectroscopique. Enfin, l'étude du comportement en fluage à haute température a permis de mettre en évidence une évolution des mécanismes de déformation en fonction des conditions de sollicitation. L'étude MET post mortem a également souligné l'influence marquée du caractère interconnecté de la microstructure sur le comportement en fluage.

De nombreuses études ont été réalisées par la communauté scientifique internationale sur la Corrosion Sous Contrainte (CSC) de l'Alliage 600 en milieu primaire des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). Néanmoins, les mécanismes à l'origine de cette fissuration sont encore mal compris. Un certain nombre de modèles ont été développés et proposés, cependant peu d'entre eux arrivent à intégrer l'influence de tous les paramètres. Le mécanisme d'oxydation interne et la famille de modèles basés sur l'action de l'hydrogène ont paru les plus prometteurs. L'objectif de l'étude était d'apporter des connaissances nouvelles sur le/les mécanisme/s de CSC. Il a été choisi de cibler les expérimentations de façon à sélectionner les modèles les plus pertinents. Pour cela des essais dans un milieu simulant le milieu primaire avec des marqueurs isotopiques (oxygène 18 et deutérium) ont été menés sur deux types d'éprouvettes. Des éprouvettes à déformation imposée de type « U-bend » ont été utilisées dans un premier temps et des éprouvettes sous forme de plaquette ayant des microstructures contrôlées ont été utilisées dans un second temps. Les caractérisations des fissures et des pénétrations d'oxyde intergranulaire par MEB, MET, SIMS, Nano-SIMS et des dosages d'hydrogène, ont permis une nouvelle analyse de la CSC de l'Alliage 600 en milieu REP, concernant plus particulièrement les points suivants : la stabilité thermodynamique des phases, la répartition et la morphologie des oxydes observés dans les fissures, le rôle de l'hydrogène, la nature des carbures de chrome et le caractère continu/discontinu du mécanisme de fissuration.

A partir des résultats obtenus à l'aide du traçage isotopique de l'hydrogène et de l'oxygène couplé à l'utilisation de différentes techniques d'analyse complémentaires, il a été proposé un nouveau modèle de mécanisme de fissuration basé sur la formation d'oxyde de chrome aux joints de grains de l'alliage. Ce modèle permet de prendre en compte le rôle des paramètres liés au matériau (taux de défauts, déformation, type de joint de grain) et au milieu (teneur en hydrogène, température) qui influeraient sur les cinétiques de diffusion de l'oxygène dans l'oxyde aux joints de grains de l'alliage et du chrome aux joints de grains de l'alliage.

Les matériaux composites à matrice céramique CMC, sont généralement formés d'au moins deux matériaux ayant une forte capacité d'adhésion. Ces matériaux sont principalement composés de renforts fibreux assurant la tenue mécanique de la structure et d'une matrice qui permet sa cohésion. Utilisées principalement dans le domaine de l'aéronautique, elles sont reconnues pour leur bonne tenue mécanique, leur réfractarité élevée tout en conservant une densité faible. Par contre, l'inconvénient majeur associé à ces matériaux est l'apparition de fissures qui sont dues soit au procédé de fabrication soit aux sollicitations mécaniques externes.Dans ce travail, une attention toute particulière est consacrée aux composites à matrice auto-cicatrisante dont la principale propriété est l'aptitude à "réparer" les effets de la fissure par formation d'un verre visqueux.Ces verres visqueux se forment au sein de la fissure grâce à l'oxydation des éléments qui constituent la matrice. Selon la température, différents verres peuvent être formés.Leur fonction est de reboucher les fissures de taille micrométrique de façon à ralentir la diffusion de l'oxygène en direction des fibres et éviter leur rupture par oxydation.Cependant, pour des systèmes en rotation rapide tels que les turbines basse pression des moteurs d'avion (pièce étudiée actuellement), on peut s'interroger quant à la mobilisation du verre visqueux cicatrisant dans un système complexe géométriquement et inhomogène du point de vue de la nature des surfaces. Pour approcher le comportement du verre cicatrisant dans un système modèle mais néanmoins réaliste, une approche de modélisation numérique a été entreprise. L'outil numérique utilisé pour cette étude est le code de calcul Thétis développé à l'I2M. Celui-ci est adapté à ce type de simulation puisqu'il permet la modélisation d'écoulements diphasiques incluant des phénomènes physiques complexes tels que le mouillage. Ainsi, l'objectif de ce travail est-il de déterminer les limites d'utilisation de ce type de matériau en fonction des conditions auxquels il est soumis en évaluant la mobilité du verre cicatrisant dans la fissure.

L’objectif de cette thèse est d'étudier l'impact du transport de l’oxygène sur la thermochimie de l’interaction pastille-gaine. Pendant les rampes de puissance, le combustible nucléaire est exposé à des gradients de température élevés. Il subit des changements chimiques et structurels. Le gonflement du combustible entraîne un contact mécanique avec la gaine, provoquant des contraintes mécaniques élevées. Simultanément, des espèces chimiquement réactives sont libérées par le centre des pellets chauds et peuvent interagir avec la gaine. La combinaison de ces facteurs chimiques et mécaniques peut entraîner une défaillance de la gaine causée par la fissuration par corrosion sous contrainte. Il a été prouvé que le transport de l'oxygène sous des gradients de température élevés affecte la thermochimie, ce qui peut jouer un rôle important dans la fissuration par corrosion sous contrainte. Cette thèse présente des simulations 3D de rampes de puissance dans des réacteurs à eau sous pression avec le code de performance de combustible ALCYONE, qui fait partie de l'environnement informatique PLEIADES. Le code a été mis à jour pour associer la description de la thermochimie du carburant irradié déjà disponible au transport de l'oxygène en tenant compte de la thermo diffusion de l'oxygène. L'impact de la redistribution de l’oxygène pendant une période transitoire de puissance sur la thermochimie du combustible irradié et sur le relâchement de gaz chimiquement réactif provenant du combustible (I(g), I2(g), CsI(g), TeI2(g), Cs(g) et Cs2(g) principalement) est étudié. Les simulations montrent que la redistribution de l’oxygène, même modérée, conduit à la réduction des oxydes métalliques (dioxyde de molybdène, molybdates de césium, oxyde de chrome) au centre des pastilles de combustible et, par conséquent, au relâchement d’une quantité beaucoup plus importante de césium gazeux, en accord avec les examens post-irradiation. Les calculs tridimensionnels des quantités d'importance pour la fissuration par corrosion sous contrainte due à l'iode (contrainte circonférentielle, déformation circonférentielle, pression partielle d'iode sur gaine) sont ensuite utilisés dans des simulations de propagation de fissures de gaine
The goal of this thesis is to study the impact of oxygen transport on thermochemistry of nuclear fuel and pellet cladding interaction. During power ramps, nuclear fuel is exposed to high temperature gradients. It undergoes chemical and structural changes. The fuel swelling leads to a mechanical contact with the cladding causing high mechanical stresses in the cladding. Simultaneously, chemically reactive gas species are released from the hot pellet center and can interact with the cladding. The combination of these chemical and mechanical factors may lead to the cladding failure by iodine stress corrosion cracking. It has been proven that oxygen transport under high temperature gradients affects irradiated fuel thermochemistry, a phenomenon which may be of importance for stress corrosion cracking. This thesis presents 3D simulations of power ramps in pressurized water reactors with the fuel performance code ALCYONE, which is part of the computing environment PLEIADES. The code has been upgraded to couple the description of irradiated fuel thermochemistry already available with oxygen transport taking into account oxygen thermal diffusion. The impact of oxygen redistribution during a power transient on irradiated fuel thermochemistry in the fuel and on chemically reactive gas release from the fuel (consisting of I(g), I2(g), CsI(g), TeI2(g), Cs(g) and Cs2(g), mainly) is studied. The simulations show that oxygen redistribution, even if moderate in magnitude, leads to the reduction of metallic oxides (molybdenum dioxide, cesium molybdate, chromium oxide) at the fuel pellet center and consequently to the release of a much greater quantity of gaseous cesium, in agreement with post-irradiation examinations. The three-dimensional calculations of the quantities of importance for iodine stress corrosion cracking (hoop stress, hoop strain, iodine partial pressure at the clad inner wall) are then used in simulations of clad crack propagation

De nombreuses études ont été réalisées par la communauté scientifique internationale sur la Corrosion Sous Contrainte (CSC) de l'Alliage 600 en milieu primaire des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). Néanmoins, les mécanismes à l'origine de cette fissuration sont encore mal compris. Un certain nombre de modèles ont été développés et proposés, cependant peu d'entre eux arrivent à intégrer l'influence de tous les paramètres. Le mécanisme d'oxydation interne et la famille de modèles basés sur l'action de l'hydrogène ont paru les plus prometteurs. L'objectif de l'étude était d'apporter des connaissances nouvelles sur le/les mécanisme/s de CSC. Il a été choisi de cibler les expérimentations de façon à sélectionner les modèles les plus pertinents. Pour cela des essais dans un milieu simulant le milieu primaire avec des marqueurs isotopiques (oxygène 18 et deutérium) ont été menés sur deux types d'éprouvettes. Des éprouvettes à déformation imposée de type « U-bend » ont été utilisées dans un premier temps et des éprouvettes sous forme de plaquette ayant des microstructures contrôlées ont été utilisées dans un second temps. Les caractérisations des fissures et des pénétrations d'oxyde intergranulaire par MEB, MET, SIMS, Nano-SIMS et des dosages d'hydrogène, ont permis une nouvelle analyse de la CSC de l'Alliage 600 en milieu REP, concernant plus particulièrement les points suivants : la stabilité thermodynamique des phases, la répartition et la morphologie des oxydes observés dans les fissures, le rôle de l'hydrogène, la nature des carbures de chrome et le caractère continu/discontinu du mécanisme de fissuration. A partir des résultats obtenus à l'aide du traçage isotopique de l'hydrogène et de l'oxygène couplé à l'utilisation de différentes techniques d'analyse complémentaires, il a été proposé un nouveau modèle de mécanisme de fissuration basé sur la formation d'oxyde de chrome aux joints de grains de l'alliage. Ce modèle permet de prendre en compte le rôle des paramètres liés au matériau (taux de défauts, déformation, type de joint de grain) et au milieu (teneur en hydrogène, température) qui influeraient sur les cinétiques de diffusion de l'oxygène dans l'oxyde aux joints de grains de l'alliage et du chrome aux joints de grains de l'alliage.

Un des points clés pour l’utilisation sur le long terme des SOEF et SOFC est l’étanchéité. Les solutions de scellement les plus répandues sont des matériaux rigides de type vitreux. Ils présentent l’inconvénient de se fissurer lorsqu’ils sont soumis à des cycles thermiques. Ceci est dû aux différences de CET entre les composants métalliques ou céramiques et les matériaux vitreux. L’autocicatrisation est une solution prometteuse pour pallier ce problème, deux mécanismes existent : intrinsèque et extrinsèque. L’autocicatrisation intrinsèque de matériaux vitreux est basée sur leur ramollissement. Nous avons développé une formulation de joints vitreux «pâteux» qui présente des propriétés autocicatrisantes, donc moins sensible aux différences de CET. La viscosité de ces verres a été estimée par microscopie de chauffage et leur stabilité a été caractérisée par DRX et microsonde de Castaing. L’autocicatrisation extrinsèque ne nécessite pas d’intervention extérieure. Elle est obtenue par ajout de particules cicatrisantes à la matrice vitreuse. Lors de l’apparition de fissures, les particules s’oxydent au contact de l’atmosphère pour former des oxydes qui donne in situ de nouveaux verres. Ces oxydes, fluides à la température de fonctionnement, s’écoulent dans la fissure, formant localement, par réaction, un nouveau verre. Des tests réalisés in situ par MEBE-HT ont permis de mettre en évidence le processus d’autocicatrisation. La formation de phases cicatrisantes a été caractérisée par microsonde de Castaing et par RMN. Un ensemble de caractérisations a été effectué afin de valider l’applicabilité de l’autocicatrisation extrinsèque aux joints de scellement vitreux
A key point for using SOEC and SOFC in the long-term is the sealant. The most sealing solutions commonly used are rigid materials, particularly glassy seals. However, they have the disadvantage of cracking in operation when subjected to thermal cycles. This is mainly due to TEC differences between metal and ceramic components and glass materials. The self-healing is a promising solution to overcome this problem. Two mechanisms exist: intrinsic and extrinsic. The intrinsic self-healing of glassy materials is based on their softening at high temperature. We developed a formulation of viscous glass seal that exhibits self-healing properties at the operating temperature systems SOEC/SOFC. They are less sensitive to differences of TEC. The glass viscosity was estimated by hot stage microscopy and their stability under use condition has been characterized by XRD and Castaing microprobe. In contrast, the extrinsic self-healing requires no external intervention. It is obtained by the addition of healing particles in the glassy matrix. When cracks occur, the particles oxidize with atmosphere contact to form oxides and in-situ new glasses. We developed this extrinsic method from particles generating B2O3 and V2O5. These oxides, fluid at operating temperature 700-900°C, flow in the crack and form a new locally glass by reaction with glassy matrix. An in-situ test by HT-ESEM highlights the self-healing process. The formation of glass and crystal phases is characterized by Castaing microprobe and solid state NMR. A set of physico-chemical characterization was performed to validate extrinsic self-healing applicability in the SOEC/SOFC glassy seal

Dans le contexte de la prévision de la tenue des matériaux revêtus sollicités par des chargements mécaniques, nous avons développé un modèle numérique basé sur la mécanique de l’endommagement permettant de d’ écrire les scénarios de rupture des couches d’oxyde dans les systèmes Ni/NiO et Zr/ZrO2 (la fissuration traversante périodique dans la couche d’oxyde et le décollement de la couche) en utilisant une méthode à discontinuités fortes couplée à des éléments d’interface. Afin de prendre en compte la présence de défauts initiaux dans la couche d’oxyde, les contraintes limites à rupture des éléments constituant la couche d’oxyde sont distribuées de manière aléatoire. Une analyse statistique sur la « distance interfissure moyenne » de la fissuration périodique a été effectuée. Le modèle développé s’appuie sur une analyse expérimentale des phénomènes de rupture de la couche d’oxyde. Cette analyse porte sur l’observation de l’ évolution des phénomènes de rupture générés dans les systèmes métal/oxyde en fonction du chargement mécanique global de traction appliqué/ Ces observations sont menées à l’aide d’un microscope électronique à balayage (MEB). Elles ont notamment permis de déterminer la « distance interfissure moyenne » et par corrélation avec les calculs, les paramètres du modèle (la contrainte limite à rupture de l’interface métal/oxyde, l’ énergie de fissuration des fissures traversant la couche d’oxyde) ont été identifiés et notre approche numérique a été validée
In the context of the prediction of coated materials durability submitted to mechanical loadings, we have developed a numerical model based on damage mechanics able to describe oxide layer fracture for Ni/NiO and Zr/ZrO2 systems (the periodic crack pattern in the oxide layer and the debonding of the oxide layer). A finite element model combining strong discontinuity approach and interface elements has been used. To take into account the initial defects in the material, we consider randomly distributed limit stress in the oxide layer. A statistical analysis is performed to evaluate the “mean inter-crack distance” of the periodic crack pattern in the oxide layer. The developed model is based on an experimental analysis of the oxide layer fracture phenomenon. This analysis focuses on the observation of the oxide layer damage evolution with different levels of mechanical loadings. These observations are performed by scanning electron microscopy (SEM) which allows to determine the “mean inter-crack distance” and by correlation with the numerical results, the model parameters (the limit stress of the metal/oxide interface, the crack energy of the periodic cracks) have been identified and our numerical approach has been validated

Mise en evidence par des methodes analytiques et electrochimiques du fait que la deformation des materiaux, dont l'action de la contrainte, a non seulement des consequences sur la passivite des films, mais egalement sur le type de structure electronique de ceux-ci

Au cours des dernières décennies, les piles à combustible à oxyde solide sont devenues un dispositif prometteur de conversion d’énergie. Ceci est dû principalement à leur efficacité de conversion d’énergie, leur flexibilité du choix du carburant et leurs faibles émissions de polluants. Cependant, la température de fonctionnement élevée de cette variante de piles à combustible induit divers problèmes d’endommagement et de fissuration. Par conséquent, l’optimisation de leur durée de vie reste un problème à résoudre. Dans cette thèse, une approche numérique combinant la méthode des éléments finis (FEM) et la méthode des éléments finis étendus (XFEM) est développée. Le but est de modéliser le problème multi-physique comportant: l’écoulement du fluide, le transfert de la chaleur, le transfert de masse, les réactions électrochimiques et thermomécanique dans une unité de pile à combustible. Dans un premier temps, pour prédire la distribution de la température et des espèces dans le milieu poreux des électrodes, un modèle de Darcy-Brinkman (DB) couplant l’écoulement du gaz, le transfert de chaleur et le transport de masse est développé. Ensuite, la méthode XFEM est introduite pour modéliser la présence des fissures dans les électrodes. Le modèle DB-XFEM combiné est utilisé par la suite pour étudier l’effet de l’écoulement du fluide, le transfert de chaleur et des propriétés thermomécaniques du matériau sur la nucléation et la propagation des fissures. Enfin, un modèle électrochimique (EC) est développé et combiné avec le modèle DB pour étudier les performances de conversion d’énergie dans la cellule de la pile à combustible
Over the last few decades, Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) has been a promising energy conversion device that has drawn a lot of attention due to its high energy conversion efficiency, fuel flexibility and low pollutant emission. However, as the high operating temperature leads to complex material problems in the SOFC, the energy conversion efficiency and life expectancy optimization remain as the challenging issues regarding the design and manufacturing of fuel cells. In this thesis, a numerical approach based on a combination of Finite Element (FEM) and eXtended Finite Element (XFEM) methods is developed to model the coupled fluid flow, heat and mass transfer as well as the electrochemical reactions with thermo-mechanical process in the SOFC unit. At first, to predict the temperature and species distribution within the porous electrodes of a SOFC unit, a Darcy-Brinkman (DB) model coupling the gas flow, heat and mass transport in porous media is developed. Then, the XFEM is introduced to deal with the presence of crack in the porous electrodes. The combined DB-XFEM model is used to investigate the effect of fluid flow, heat transfer, porous material properties and the material anisotropy on the onset of crack growth and the propagation path in the SOFC unit. At last, an electrochemistry (EC) model is developed and combined with the DB model to couple the electrochemical reactions to energy and mass transfer in the SOFC. With the DB-EC model, the cell energy conversion performances are studied