Comportement mécanique du tungstène et du tungstène recristallisé sous chargement uniaxial monotonesous chargement uniaxial monotone

Dans cette section nous commencerons par présenter succinctement le principe de l'essai uniaxial de charge-décharge. Puis, à travers une étude bibliographique, le comportement mécanique connu pour le tungstène et le tungstène recristallisé est présenté.

2.1.1.1 Essai uniaxial monotone de charge-décharge

La mécanique des matériaux (ou mécanique des solides) cherche à identier les modèles de comportement mécanique des matériaux à partir d'essais expérimentaux. Les courbes obtenues lors de ces tests lient un état de contrainte (σ) à un état de déformation (ε), on parle également de courbe σ − ε, gure I.2.1.1. L'essai uniaxial de charge-décharge permet à partir de l'utilisation d'éprouvettes de test normalisées (plates ou cylindriques), d'étudier la réponse mécanique d'un matériau soumis à un eort F en fonction d'un allongement ∆l. A partir de ces deux grandeurs, il est possible de dénir la contrainte vraie σ et la déformation vraie ε telle que :

σ =^F

S (I.2.1.1)

ε = ln(1 +^∆l l0

Ou :

-S désigne la section vraie de l'éprouvette au cours du test. Cette section est corrigée à chaque instant de l'essai. En eet, dans le cas de déformation importante obtenue au cours d'un test de charge-décharge, la section de l'éprouvette diminue avec son allongement. Il convient donc de corriger cette section tout au long de l'essai.

- ε désigne la déformation vraie aussi appelée déformation logarithmique

Au terme de cet essai, il est ainsi possible après décharge de l'éprouvette, d'identier le comportement mécanique du matériau étudié (élastique, hyperélastique, élasto-plastique,...[Bergheau, 2018]).

Dans le cas de matériau métallique, le comportement peut généralement être décomposé en deux grands domaines : le domaine d'élasticité, entre A et Ys), et le domaine de plasticité, de YS à la rupture de l'éprouvette C (gure I.2.1.1). On parle de comportement élasto-plastique.

Au sein du domaine d'élasticité, l'énergie emmagasinée lors du test est totalement restituée lors de la décharge. On parle de déformation élastique (εe). A l'inverse, dans le domaine de plasticité, la déformation est irréversible. Une partie de l'énergie apportée au système est alors dissipée au cours de la déformation de l'éprouvette, on parle de déformation plastique (εp).

Figure I.2.1.1  Comportement élasto-plastique à écrouissage typique obtenu lors d'un test de charge-décharge en traction

Dans le cas d'un essai de charge-décharge en traction, il est possible d'étudier le module de Young du matériau (E, gure I.2.1.1) ainsi que le phénomène de striction de l'éprouvette (B-C). Ce type de test mécanique peut également être réalisé en compression. Dans ce cas, les phénomènes propres à l'essai de traction tels que la striction ne peuvent pas être étudiés.

A partir de l'essai charge-décharge, il est également possible de caractériser la sensibilité d'un matériau à la température ou encore à la vitesse de déformation. Pour cela, des essais peuvent être réalisés sur une large plage de température et à diérentes vitesses de déformation (gure I.2.1.2) [Montheillet and Desrayaud, 2009]. La température a pour eet de dégrader les propriétés mécaniques d'un matériau telles que le module Young ou encore la limite d'élasticité [Team, 2013].

Pour un matériau sensible à la vitesse de déformation, on parle de comportement viscoplastique ou de comportement visqueux. Généralement, cette notion de viscosité a des conséquences importantes sur la limite d'élasticité ou encore sur la ductilité d'un matériau [Zhu et al., 2016]. On observe typiquement dans la littérature que la ductilité d'un matériau diminue avec l'augmentation de la vitesse de déformation. Aussi, un matériau est d'autant plus sensible à la vitesse de déformation que sa température est élevée. Finalement, l'essai uniaxial de charge-décharge représente sans doute l'essai de référence pour étudier le

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

Figure I.2.1.2  Sensibilité d'un matériau à la température (T ) et à la vitesse de déformation mécanique ( ˙ε)

comportement mécanique d'un matériau sous chargement monotone. Dans la suite de cette section, les comportements mécaniques connus du tungstène et du tungstène recristallisé sont présentés.

2.1.1.2 Comportements mécaniques monotone du tungstène et du tungstène recristallisé De récentes références bibliographiques présentent les limites d'élasticité (Y s) à 800°C de diérents lots de tungstène (respectant le cahier des charges ITER). Les lots de matière sont issus de fournisseurs ou procédés de fabrication diérents [Panayotis et al., 2017b, Wirtz et al., 2017]. Ces résultats ont été obtenus lors d'essais de traction. Ces tests mécaniques ont été réalisés suivant deux directions : la direction de laminage (RD) et la direction transverse (TD) (gure I.1.3.1).

Les résultats obtenus par Wirtz et al révèlent notamment un comportement ductile, élastique parfaitement plastique du tungstène (gure I.2.1.3).

Figure I.2.1.3  Schéma d'un comportement élastique parfaitement plastique

En eet, la limite d'élasticité obtenue pour chaque lot de matière (P1, P2 et P5) est proche de la contrainte maximale atteinte lors du test (UTS, gure I.2.1.4). Dans le cadre de ses travaux, la limite d'élasticité (estimée par convention à 0,2% de déformation) se situe ente 394 MPa et 579 MPa suivant la direction TD et 394 MPa et 543 MPa suivant la direction RD pour les trois lots de matière testés (gure I.2.1.4) [Wirtz et al., 2017]. Cette observation révèle une anisotropie légère.

de matière recristallisée (1800°C pendant 1h) suivant les directions RD et TD à 800°C. Les résultats obtenus révèlent un comportement ductile élasto-plastique du tungstène avec un écrouissage important. Cet article ne donne pas plus d'indication concernant le comportement plastique du matériau.

Pour l'ensemble des matériaux testés, la limite d'élasticité (estimée à 0,2% de déformation) se situe ente 106 MPa et 147 MPa suivant la direction TD et 108 MPa et 143 MPa suivant la direction RD ( gure I.2.1.4) [Wirtz et al., 2017]. Cette observation révèle un comportement isotrope de chaque lot de matière testé après recristallisation.

Ces travaux mettent aussi en évidence l'impact du processus de recristallisation sur le comportement mécanique du tungstène. En eet, la limite d'élasticité de chaque lot est en moyenne 4 fois moins élevée après recristallisation.

Figure I.2.1.4  Moyenne des limites d'élasticité (YS) estimées à 0.2% de déformation et des contraintes maximales (UTS) obtenues pour trois lots de matière à l'état recristallisé et non recristallisé suivant les directions TD (y-orientation) et RD (x-orientation) [Wirtz et al., 2017]

Pour nir, il est important de noter que ces données sont obtenues pour une seule température (800°C) de test et une vitesse de déformation (10−4s⁻¹). Ainsi, dans le cadre de cette thèse, il est envisagé de réaliser des essais de type charge-décharge visant à étudier le comportement mécanique du tungstène et du tungstène recristallisé sur la plage de température représentative de l'utilisation de ce matériau au sein du tokamak ITER (20°C-2000°C) et à des vitesses de déformations d'intérêts.

Compte tenu de l'utilisation du tungstène en environnement tokamak, nous nous intéressons également au comportement en fatigue de ce matériau.

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