Caractérisations tribologiques d'un acier inoxydable y sollicité en impacts-glissement dans un environnement sévère

Tribological characterisations of austenitic stainless stell sollicited by sliding impact kinematics in high pressure and water

• Auteur / Autrice : Anne-Laure Kaiser
• Direction : Cécile Langlade, Sandrine Bec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Tribologie - Matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône1970-)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Framatome

Mots clés

Mots clés contrôlés

Frottement

Acier inoxydable

Usure (mécanique)

Mots clés libres

Impacts-glissement

Régime aléatoire

Zone lamellaire

Contact basse pression

Résumé

L’usure spécifique des crayons des grappes de commande contre leurs guidages, induite par les turbulences de l’écoulement du fluide primaire dans les réacteurs nucléaires se caractérise par des cinétiques d’usure rapide, des faciès typiques dits à cupules et l’absence de déformation plastique apparente sous les surfaces dégradées. Des tribomètres spécifiques permettent de reproduire les sollicitations d’impacts-glissement à l’origine de cette usure dans un environnement proche de celui rencontré en réacteur (eau à 300°C et 154 bars et même composition chimique à l’exception de l’irradiation). L’objectif de cette étude est d’apporter des éléments de compréhension sur l’origine et l’évolution de ces dégradations à faciès à cupules, à partir d’une étude expérimentale de différents essais réalisés sur ces tribomètres. Un modèle mécanique du tribomètre et une analyse théorique des impacts-glissement montrent que les durées d’impacts-glissement dépendent de la raideur de contact entre le crayon et son guidage. Les valeurs de ces raideurs déduites des durées d’impacts-glissement mesurées sont faibles et sont imputables à un contact de type rugueux, à l’exclusion d’un contact de Hertz et des déformations élastiques des éléments en présence. Cette usure est donc la conséquence d’interaction à faible pression de contact. L’analyse des résultats expérimentaux a pu montrer que les dégradations à faciès à cupules ne se produisent que sous certaines conditions optimales d’impacts-glissement (couplage coefficient de frottement-angle, force normale d’impact). Les taux d’usure observés dépendent donc de la fréquence de ces impacts-glissement critiques. Enfin, les expertises des surfaces frottées montrent une fine déformation plastique en extrême surface (< 1 1m). Localement des zones lamellaires dures, oxydées et fissurées apparaissent. Une interprétation mécanique de la formation des cupules est alors proposée, expliquant le rôle des impacts-glissement critiques sur la formation des zones lamellaires à l’origine des cupules.

Specific wear of rod cluster control assemblies in pressurized water nuclear reactor (PWR) results from contacts with their guides due to flow-induced vibration. Particular sliding impact contact conditions and specific environment in PWR coupling temperature and solution chemistry involve original mechanism of wear (high wear kinetics, particular wear scars made of numerous indent-like marks with no apparent work hardening in subsurface). Specific tribometers has been developed to reproduce sliding-impacts kinematics in conditions simulating the primary PWR coolant. Primary, a mechanical model of the specific test bench associated to a theorical analysis of sliding impacts lead to determine that asperity stiffnesses control the contact (duration of sliding-impact). Numerous and various wear tests were realized in order to study the influence of the sliding-impact parameters on wear loss and wear facies. An analogy with erosion was done and critical conditions concerning friction coefficient and incidence angle values leading to no wear were found. At least, some surface and subsurface characterizations reveal the presence of a microscopic work hardening under worn surfaces and the existence of singular foliated zones. Thanks to all this work, a mechanical interpretation of indent-like marks formation is proposed.