Comportement mécanique en fatigue du tungstène et du tungstène recristallisérecristallisé

2.1.2 Comportement mécanique en fatigue du tungstène et du tungstène

recristallisé

Lorsqu'un matériau est soumis à des sollicitations cycliques (thermiques et/ou mécaniques) son état de contrainte et de déformation évoluent continuellement au cours du temps. Ces déformations, locales, peuvent dans certains cas entraîner des ssures qui vont peu à peu se propager dans la matière jusqu'à conduire à la rupture totale du composant.

Il est possible d'aboutir à un état de ruine du matériau en appliquant sur celui-ci des contraintes inférieures à la limite d'élasticité lorsque celles-ci sont répétées un grand nombre de fois. On distingue :

 La fatigue à grand nombre de cycles, caractérisée par la présence de déformations élastiques. Dans ces cas de chargement, les durées de vie atteintes sont supérieures à 106cycles.

 La fatigue oligocyclique (LCF) appelée en anglais  Low Cycle Fatigue  caractérisée par la présence de déformations plastiques. Les durées de vie atteintes sont inférieures à 104cycles. Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons particulièrement à la fatigue oligocyclique car les résultats expérimentaux observés lors des campagnes à hauts ux (présentés section 1.4 page 11) révèlent une ssuration du bloc de tungstène après seulement quelques dizaines voire quelques centaines de cycles à 20 MW/m².

Une fois encore, peu de données sont actuellement disponibles dans la littérature. Bien qu'elles ne soient pas représentatives d'un matériau répondant au cahier des charges ITER, les lois de Manson-Con connues en fatigue pour le tungstène et le tungstène recristallisé représentent l'essentiel des données disponibles dans la littérature.

2.1.2.1 Eet de la recristallisation sur la tenue en fatigue du tungstène

Des lois de type Manson-Con sont connues pour le tungstène à 20°C et 815°C et pour le tungstène recristallisé à 815°C (gure I.2.1.5). Ces lois permettent de lier un incrément de déformation plastique (∆εp)à un nombre de cycles avant rupture (Nf). Bien que ces lois n'aient pas été obtenues à partir d'un matériau respectant le cahier de charges demandé par ITER, ces données expérimentales sont utilisées dans cette étude.

On remarque à partir de ces données expérimentales que pour un même incrément de déformation plas-tique, le tungstène recristallisé présente un nombre de cycles avant rupture moins important que le tungstène entre 0 et 3.104 cycles. De plus, ces lois mettent en évidence, l'eet de la température sur la résistance en fatigue du matériau. En eet, on remarque que pour un même Nf (par exemple 102cycles), le tungstène testé à 815°C peut subir des incréments de déformation jusque 3.100%contre 6.10−2% pour le matériau testé à 20°C. D'autres essais réalisés au cours de cette campagne de tests , ont permis de révéler que ces lois ne sont pas sensibles à la température entre 815°C et 1232°C [Team, 2008].

Ces lois permettent de prédire la durée de vie de ce matériau en fonction d'une déformation plastique. Néanmoins, il est impossible d'identier le comportement mécanique en fatigue du tungstène à partir de ces données. Pour cela, nous nous intéressons dans la suite de cette section à la seule courbe σ −ε obtenue lors d'un essai cyclique en traction-compression pour du tungstène recristallisé respectant le cahier des charges ITER.

2.1.2.2 Comportement mécanique du tungstène en fatigue : écrouissage cinématique Les essais cycliques sont la plupart du temps réalisés en traction-compression. Dans ce cas, une ma-chine d'essai de type charge-décharge peut être adaptée an de solliciter alternativement une éprouvette

Figure I.2.1.5  Lois de Manson-Con connues pour le tungstène et le tungstène recristallisé [Li and You, 2015]

en traction puis en compression. Cet essai peut être répété un grand nombre de fois an d'étudier le comportement mécanique en fatigue du matériau.

Figure I.2.1.6  Cinq niveaux de cycles stabilisés obtenus successivement en augmentant l'amplitude de déformation sur une éprouvette en inox 316 [Lemaitre and Chaboche, 2004]

La contrainte mécanique enregistrée en fonction de la déformation de l'éprouvette à chaque instant du test (dans le cas d'un essai réalisé en déformation imposée) permet d'observer des cycles (boucles) qui évoluent ou se stabilisent au cours du temps (gure I.2.1.6). Ces cycles sont utilisés pour étudier le comportement en fatigue du matériau. Plusieurs eets ou phénomènes sont observables à partir de ces tests tels que l'eet de Bauschinger, ou le phénomène de durcissement ou d'adoucissement cyclique. Aussi, d'autres phénomènes tel que l'accommodation ou l'adaptation peuvent être mis en évidence (dans le cas d'une déformation moyenne nulle au cours de l'essai) [Lemaitre and Chaboche, 2004].

Ces essais peuvent enn être employés pour caractériser la nature de l'écrouissage du matériau testé. Cet écrouissage dénit le comportement plastique du matériau et peut être de nature isotrope ou cinématique

SECTION 2.1. PROPRIÉTÉS THERMOMÉCANIQUES CONNUES POUR LE TUNGSTÈNE ET LE TUNGSTÈNE RECRISTALLISÉ

(ou mixte).

Dans le cas d'un écrouissage isotrope, le domaine d'élasticité dessiné à chaque cycle se déforme. Dans le cas d'un essai réalisé en déformation imposée, l'amplitude de contrainte mesurée entre la contrainte minimale obtenue lors de la phase de compression et maximale obtenue lors de la phase de traction augmente.

Dans le cas d'un écrouissage cinématique, le domaine d'élasticité mesuré à chaque cycle ne se déforme pas. Cependant, un déplacement du centre du domaine est observé [Lemaitre and Chaboche, 2004]. A partir de cette identication, un modèle de comportement mécanique peut être déni.

La gure I.2.1.7 (a) présente une courbe de contrainte-déformation du tungstène recristallisé obtenue lors d'un essai cyclique en traction-compression [Bahm, 2005]. Cette courbe met en évidence un écrouissage important de ce matériau à 800°C. La nature de cet écrouissage est davantage cinématique qu'isotrope. La gure I.2.1.7 (b) montre que les cycles de déformation se stabilisent après environ 8000 répétitions (accomodation) et révèle également un adoucissement cyclique du matériau (diminution de la contrainte maximale atteinte en traction et compression).

Figure I.2.1.7  Courbe de fatigue obtenue en traction-compression cyclique présentée pour le tungstène recristallisé à 800°C [Bahm, 2005]

Nous avons vu dans cette section que le phénomène de recristallisation joue un rôle important dans la dégradation des propriétés mécaniques du tungstène. En eet, les essais réalisés en traction monotone sur du tungstène répondant aux spécications ITER montrent une diminution importante de la limite

d'élasticité après recristallisation du matériau. De plus, les lois de Manson-Con révèlent qu'une fois recristallisé, la résistance en fatigue (oligocyclique) du tungstène est plus faible que pour le matériau initial. Enn, la courbe cyclique connue en traction-compression met en évidence un écrouissage de nature cinématique pour le tungstène recristallisé.

An d'évaluer plus précisément l'impact du phénomène de recristallisation du tungstène sur la durée de vie du composant, plusieurs simulations numériques, basées sur l'exploitation des données expérimentales disponibles, ont été réalisées.

2.2 Travaux numériques réalisés dans la littérature pour estimer