Modélisation de l'effet de l'irradiation sur la ténacité des alliages d'aluminium dans les réacteurs nucléaires expérimentaux

Influence of radiation damage on fracture toughness of aluminum alloys in nuclear research reactors

• Auteur / Autrice : Zacharie Shokeir
• Direction : Jacques Besson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 07/10/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Amine Benzerga
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Besson, Yazid Madi, Florent Hannard, Tom Petit, Jérôme Garnier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jonas Faleskog, Damien Fabrègue

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fatigue

Éléments finis, Méthode des

Réacteurs nucléaires

Irradiation

Aluminium -- Alliages

Mots clés libres

Rupture ductile

Irradiation aux neutrons

Aluminium

Elements finis

Ténacité

Ductile failure

Neutron radiation

Aluminum

Finite element

Fracture toughness

Résumé

L’alliage d’aluminium 6061-T6 est utilisé pour la fabrication de la cuve de réacteurs nucléaires de recherche. L’irradiation provoque des modifications microstructurales qui durcissent le matériau (augmentations de 45 et 60% de la limite d’élasticité et de la résistance mécanique) et détériorent sa ductilité (diminution de 9 à 15% de l’allongement à rupture). Malgré ces évolutions du comportement élastoplastique, il n’est pas prouvé dans la littérature que la ténacité de l’alliage irradié diminue, et quelques résultats montrent même qu’elle n’est pas affectée. Des investigations concernant l’influence de l’irradiation sur la rupture ductile de l’alliage sont donc nécessaires. L’objectif principal de cette thèse est ainsi de développer un modèle physique permettant de prédire la ténacité de l’alliage d’aluminium 6061-T6 irradié. Les mécanismes d’endommagement ductile sont investigués par une approche couplée expérimental – numérique : (i) La germination est étudiée via des coupes polies et des essais de traction in situ réalisés sur éprouvettes entaillés ; (ii) Des simulations par éléments finis de cellules unitaires permettent de quantifier la croissance ; (iii) En considérant deux populations de vides, ces simulations permettent également d’analyser la coalescence. Parallèlement, le durcissement et la chute d’écrouissage sont étudiés sur un aluminium 6061 modèle ayant subi différents traitements thermiques, afin de pouvoir décorréler leurs effets sur la ténacité : en appliquant le modèle précédemment développé, les propagations de fissure dans des éprouvettes CT sont correctement reproduites. En supposant que l’irradiation n’affecte pas les particules responsables de l’endommagement, le modèle non irradié est ensuite appliqué à l’état irradié, en le couplant à un modèle phénoménologique élastoplastique irradié, développé grâce à la base de données collectée dans la littérature. Des éprouvettes de traction et de ténacité irradiées sont testées dans des cellules blindées afin de valider définitivement le modèle de la thèse. Outre les différentes contributions apportées à la thématique de la modélisation de la rupture ductile, la principale conclusion est que la ténacité de l’alliage d’aluminium 6061-T6 reste constante en fonction de la dose d’irradiation.

The 6061-T6 aluminum alloy is used for the fabrication of pressure vessels in nuclear research reactor. Neutron radiation causes microstructural changes that harden the material (45 and 60% increase in the yield and mechanical strengths respectively) and deteriorate its ductility (drop from 9 to 15% in the total elongation). Despite these changes in the elastic–plastic behavior, there is no evidence in the literature that the toughness of the irradiated alloy decreases, and some results even show that toughness is not affected. Therefore, investigating the influence of neutron radiation on the ductile failure of the alloy is necessary. The main objective of this thesis is to develop a physics-based model to predict the toughness of irradiated 6061-T6 aluminum alloy. The ductile damage mechanisms are investigated via a coupled experimental–numerical approach: (i) Void nucleation is studied via polished sections and in situ tensile tests performed on notched specimens; (ii) Finite element simulations of unit cells allow to quantify void growth; (iii) By considering two void populations, these simulations also allow to analyze void coalescence. In parallel, strain hardening drop is studied on a model 6061 aluminum having undergone different heat treatments, in order to be able to decorrelate its effect on toughness: by applying the previously developed model, crack propagations in CT specimens are correctly reproduced. Assuming that irradiation does not affect the particles responsible for the damage, the developed model is then applied to the irradiated material, by coupling it to an irradiated elastic–plastic phenomenological model, developed thanks to the database collected in the literature. Irradiated tensile and toughness specimens are tested in hot cells in order to definitively validate the PhD model. In addition to the various contributions brought to the topic of the modeling of the ductile failure, the main conclusion is that the toughness of the 6061-T6 aluminum alloy remains constant as a function of the irradiation dose.