Pénétration intergranulaire fragilisante du cuivre par le bismuth liquide : identification de la cinétique et du mécanisme de type diffusionnel entre 300 et 600°C

Diffusion-controlled intergranular penetration and embrittlement of copper by liquid bismuth between 300 and 600°C.

• Auteur / Autrice : Vincent Laporte
• Direction : Krzysztof Wolski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cuivre

Bismuth

Résumé

Cette thèse s’est déroulée dans le cadre d’une réflexion sur la fragilisation par les métaux liquides,un des phénomènes pouvant limiter la durée de vie de la cible de spallation dans les réacteurs hybrides qui représentent une des solutions possibles pour le traitement des déchets nucléaires et qui sont étudiés dans le cadre du groupement de recherche GEDEPEON (GEstion des Déchets Et Production d’Energie par des Options Nouvelles). L’objectif de cette étude a été d’identifier le mécanisme contrôlant l’endommagement intergranulaire du cuivre placé en contact avec le bismuth liquide. Des analyses fractographiques par microscopie électronique à balayage, spectroscopie d’électrons Auger, spectroscopie de photoélectrons et rétrodiffusion Rutherford ont ainsi été effectuées sur des polycristaux et un bicristal de cuivre (joint de flexion symétrique de désorientation 50° autour de <100>) afin de caractériser les deux paramètres suivants : (i) la cinétique de pénétration intergranulaire et (ii) la concentration intergranulaire en bismuth obtenue après pénétration. Les résultats présentés (cinétique parabolique et concentration intergranulaire en bismuth inférieure à deux monocouches équivalentes) nous permettent de conclure que c’est la diffusion intergranulaire des atomes de bismuth qui contrôle la pénétration intergranulaire du cuivre par le bismuth liquide entre 300 et 600°C. De plus, nous pouvons ainsi conclure à l’absence de mouillage intergranulaire parfait dans ce système et aux températures considérées.

Hybrid reactors are a new concept for energy production and nuclear waste treatment. Among other requirements, structural materials have to withstand liquid metal embrittlement. This thesis aimed therefore to identify the controlling mechanism for the intergranular embrittlement of copper in contact with liquid bismuth. Scanning electron microscopy, Auger electron spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and Rutherford backscattering spectroscopy have been used to analyze fracture surfaces of both copper polycristals and a copper bicristal (symmetric tilt boundary 50° <100>). These analyses reveal both parabolic intergranular penetration kinetics and maximal intergranular bismuth concentration less than two monolayers. These two results allow us to identify grain boundary diffusion as the controlling mechanism for the intergranular penetration of copper by liquid bismuth between 300 and 600°C, showing the absence of perfect grain boundary wetting.