Modélisation multiphysique de l'endommagement par irradiation de laminés nanocristallins

par Aurélien Villani

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Esteban Busso et de Samuel Forest.

Soutenue le 12-02-2015

à Paris, ENMP , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Mohammed Cherkaoui.

Le jury était composé de Esteban Busso, Samuel Forest, Laurent Capolungo, Lionel Gélébart.

Les rapporteurs étaient Fionn Dunne, Marc G. D. Geers.


  • Résumé

    L'endommagement par irradiation mène à la ruine d'un matériaux, il est donc impératif de savoir prévoir son évolution afin de garantir la sécurité des réacteurs nucléaires.Bien que le comportement mécanique sous irradiation ait fait l'objet de nombreuses recherches, les capacités de prédiction actuelles restent limitées.L'agrégation des défauts ponctuels, tels que les lacunes et les auto-interstitiels, provoque du fluage, du gonflement et fragilise le matériau.Les nano-composites multicouches métalliques cristallins sont capables d'évacuer ces défauts ponctuels grâce à leur densité d'interface élevée, et permettent de retarder les phénomènes délétères précédemment cités.Ils ont, de plus, une résistance mécanique élevée.L'objectif de cette thèse est de développer un cadre thermodynamique à l'échelle continue meso et nano-scopique, rendant compte des principaux phénomènes physiques à l'oeuvre dans ces laminés irradiés.Principalement trois points sont abordés: le couplage diffusion-mécanique et le fluage, la nucléation et croissance de cavités sous irradiation, et le comportement mécanique des multicouches.La micro-structure du matériau est ici entièrement modélisée, afin de précisément rendre compte de son influence sur le comportement du matériau.Le fluage par diffusion est traité via une approche originale où le tenseur des vitesses de déformation est directement relié au gradient du flux de lacunes.Un modèle de type Cahn-Hilliard est utilisé afin de prédire la nucléation et la croissance des cavités.Les équations de diffusion y sont complétées pour prendre en compte la production des défauts ponctuels dus à l'irradiation, ainsi que leur recombinaison.Dans les systèmes multicouches, une zone affecté par l'interface est définie, dans laquelle les dislocations peuvent être annihilées.De plus, l'interface elle même est traitée comme un plan de glissement cristallographique.Le modèle est implémenté numériquement via la méthode des éléments finis.Des simulations de fluage couplé à la diffusion de lacunes sont pour la première fois réalisé sur des agrégats polycristallins, prédisant des champs de déformation intra-granulaire fortement hétérogènes.De plus, la vitesse de fluage macroscopique obtenue met en évidence les dépendances classiques à la taille de grain ainsi qu'à la contrainte appliquée.Lors des simulations d'irradiation de multicouches, des zones libres de cavités sont prédites de part et d'autre des interfaces, en accord avec les observations expérimentales.Enfin, des essais de traction sont simulés sur des systèmes Cu-Nb en 3D, mettant en évidence un mode de déformation complexe, et un effet moindre de l'anisotropie élastique.

  • Titre traduit

    A multi-physics modelling framework to describe the behaviour of nano-scale multilayer systems undergoing irradiation damage


  • Résumé

    Radiation damage is known to lead to material failure and thus is of critical importance to lifetime and safety within nuclear reactors.While mechanical behaviour of materials under irradiation has been the subject of numerous studies, the current predictive capabilities of such phenomena appear limited.The clustering of point defects such as vacancies and self interstitial atoms gives rise to creep, void swelling and material embrittlement.Nanoscale metallic multilayer systems have be shown to have the ability to evacuate such point defects, hence delaying the occurrence of critical damage.In addition, they exhibit outstanding mechanical properties.The objective of this work is to develop a thermodynamically consistent continuum framework at the meso and nano-scales, which accounts for the major physical processes encountered in such metallic multilayer systems and is able to predict their microstuctural evolution and behavior under irradiation.Mainly three physical phenomena are addressed in the present work: stress-diffusion coupling and diffusion induced creep, the void nucleation and growth in multilayer systems under irradiation, and the interaction of dislocations with the multilayer interfaces.In this framework, the microstructure is explicitly modeled, in order to account accurately for their effects on the system behavior.The diffusion creep strain rate is related to the gradient of the vacancy flux.A Cahn-Hilliard approach is used to model void nucleation and growth, and the diffusion equations for vacancies and self interstitial atoms are complemented to take into account the production of point defects due to irradiation cascades, the mutual recombination of defects and their evacuation through grain boundaries.In metallic multilayers, an interface affected zone is defined, with an additional slip plane to model the interface shearable character, and where dislocations cores are able to spread.The model is then implemented numerically using the finite elements method.Simulations of biaxial creep of polycrystalline aggregates coupled with vacancy diffusion are performed for the first time, and predict strongly heterogeneous viscoplastic strain fields.The classical macroscopic strain rate dependence on the stress and grain size is also retrieved.Void denuded zones close to the multilayer interfaces are obtained in irradiation simulations of a multilayer, in agreement with experimental observations.Finally, tensile tests of Cu-Nb multilayers are simulated in 3D, where it is shown that the effect of elastic anisotropy is negligible, and evidencing a complex deformation mode.


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