Imagerie des boucles à composante < " >

II.3.3 Quantification des boucles à composante < " > ... 96 II.3.4 Analyse de l’orientation cristallographique des grains par rapport au repère macroscopique .... 96

II.4

Conclusions du chapitre 2 ... 102

II.1 Matériaux de l’étude

II.1.1 Choix du produit Tube Reduced Extrusion (TREX)

L’étude expérimentale, menée dans le cadre de ce travail de thèse, a porté sur deux alliages industriels de zirconium, le Zircaloy-4 recristallisé et le M5^®. Les échantillons ont été prélevés des Tubes Reduced Extrusion (TREX) fournis par AREVA-NP. Ces tubes sont des produits intermédiaires du procédé de mise en forme des tubes guides et des gaines des REP (§ I.1.2.2). Ils sont obtenus par une succession d’opérations de laminage à froid et par un traitement thermique de recristallisation dans le domaine Zr-α. Les tubes ébauches TREX ont un diamètre extérieur de 55 mm et une épaisseur de 11 mm.

La texture cristallographique de ces produits semi-finis a été caractérisée par Diffraction des Rayons X dans le cadre du travail de thèse de Tournadre [1]. Les figures des pôles$L:::PM,${@:@A:} et${@@PA:}, recalculées à partir de la Fonction de Distribution des Orientations Cristallines, sont représentées sur la Figure II.1.2 pour le Zircaloy-4 et le M5^® TREX. Les pôles L:::PM$de ces deux alliages mettent en évidence un maximum de densité de grains ayant des axes < " > orientés suivant la direction transverse avec un étalement dans le plan (DT-DR), DT correspondant à la direction transverse et DR à la direction radiale des tubes. Les pôles prismatiques {@:@A:} et {@@PA:} s’alignent préférentiellement suivant la direction axiale (DA) des tubes TREX. La distribution de l’orientation des axes cristallographiques < " > selon les trois directions transverse, radiale et axiale est décrite par les facteurs de Kearns associés aux figures de pôles (Tableau II.1.1).

Le choix du TREX comme matériau d’étude est motivé par deux raisons majeures :

o Ces tubes semi-finis sont plus épais que les tubes finis (une épaisseur de 0,57 mm pour les gaines et de 0,4 à 0,5 mm pour les tubes guides) (Figure II.1.1). Leur épaisseur plus importante facilite le prélèvement d’un plus grand nombre d’échantillons ;

o Les tubes TREX se caractérisent par une texture transverse où les axes cristallographiques < " > sont orientés préférentiellement suivant la direction transverse mais présentent également un étalement dans le plan (DT-DR) formé par la direction transverse et la direction radiale. Les échantillons prélevés dans l’épaisseur de ces tubes épais présentent une grande proportion de grains avec leurs axes < " > contenus dans le plan de la lame mince. Cette orientation cristallographique permet d’obtenir aisément la condition de diffraction optimale pour l’imagerie des boucles à composante < " > par Microscopie Electronique en Transmission (ˆ5 = :::P). Ce point sera détaillé ultérieurement dans la partie II.3.1 de ce présent chapitre. Compte tenu de la texture radiale des tubes minces finis (§ I.1.2.2.2), les grains des échantillons découpés dans l’épaisseur de ces tubes sont orientés avec leurs axes cristallographiques < " > suivant la direction radiale et donc normaux aux plans des lames minces. Par conséquent, ces produits ne permettent pas d’obtenir facilement les conditions de diffraction appropriées pour l’imagerie des boucles à composante$< " >.

Figure II.1.1: Schématisation de l’orientation transverse préférentielle des grains du tube épais TREX.

En conclusion, les motivations principales qui ont conduit à ce choix du produit TREX résident dans sa texture cristallographique et son épaisseur.

(a) (b) (c)

Zy-4 TREX

Pôle L'''#M Pôle {"'"K'} Pôle {""#K'}

(d) (e) (f)

DA

DT

M5^® TREX

Pôle L'''#M Pôle {"'"K'} Pôle {""#K'}

Figure II.1.2: Figures de pôles recalculées à partir de la Fonction de Distribution des Orientations Cristallines des tubes TREX en Zircaloy-4 ((a), (b) et (c)) et en M5^® (d), (e) et (f)) – (a) et (d)

Tableau II.1.1: Facteur de Kearns des tubes TREX en Zircaloy-4 et en M5^®.

®¯• ®¯° ®¯³

Zircaloy-4 0,53 0,38 0,09

M5^® 0,49 0,42 0,09

II.1.2 Caractérisation du matériau non irradié

Avant d’étudier de façon précise les défauts microstructuraux induits par irradiation, il apparaît nécessaire, dans une première étape, de caractériser le produit intermédiaire TREX non irradié dans le but de vérifier sa bonne représentativité chimique et mécanique par rapport aux tubes guides et aux gaines. L’homogénéité de la composition chimique, la morphologie et la taille des grains et la caractérisation mécanique en dureté Vickers des tubes TREX en Zircaloy-4 et en M5^® ont fait l’objet d’une étude réalisée dans le cadre de la thèse de Tournadre [1]. Ces caractérisations sont complétées par des essais de traction à des températures de fonctionnement en REP (300 et 350°C) effectuées dans le cadre de ce travail de thèse.

II.1.2.1 Composition et homogénéité chimique

Les analyses à la microsonde électronique Castaing SX 100 ont permis de vérifier l’homogénéité de la composition chimique dans l’épaisseur des tubes TREX. La répartition des éléments d’alliage principaux du Zircaloy-4 (Sn, Fe, Cr et O) et du M5^® (Fe, Nb et O) est globalement homogène. Toutefois, quelques zones riches en fer et en chrome ont été détectées dans le Zircaloy-4 TREX. Ces zones locales correspondraient aux précipités intermétalliques, les phases de Laves Zr(Fe,Cr)2 qui se forment dans le Zircaloy-4 (§ I.1.2.1.3).

En ce qui concerne le dosage des différents éléments chimiques, il a été montré que les teneurs mesurées en étain, en fer, en chrome et en niobium (Tableau II.1.2) sont en bon accord avec les spécifications chimiques des produits finis (Tableau I.1.2). Une teneur élevée de l’oxygène a été observée, notamment près de la face interne de la gaine. Elle serait due à la contamination de la surface lors de l’étape de préparation des échantillons.

Tableau II.1.2: Composition chimique des tubes TREX en Zircaloy-4 et en M5^® (% massique).

Sn Fe Cr Nb

Zircaloy-4 TREX 1,3 0,21 0,1 -

M5^® TREX - 0,04 - 0,95

Les observations en MET de la microstructure des deux alliages non irradiés montrent la présence de précipités intermétalliques de même nature que ceux identifiés dans les produits finis (§ I.1.2.1.3). Les précipités rencontrés dans le Zircaloy-4 correspondent aux phases de Laves de type Zr(Fe,Cr)₂ dont la taille est de quelques centaines de nanomètres (Figure II.1.3). L’alliage M5^® TREX montre un alignement de petites particules réparties de manière homogène dans la matrice. Il s’agit des précipités β-Nb natifs (Figure II.1.4 (a)) qui ont une taille moyenne de 60 nm. Quelques précipités de plus grande taille (environ 150 nm) ont été également observés (Figure II.1.4 (b)). D’après les analyses par spectroscopie des Rayons X (EDX), ces composés correspondent à des phases de Laves de type Zr(Fe,Nb)2 présents en moins grand nombre que les particules β-Nb.

II.1.2.2 Morphologie et taille des grains

Les observations en microscopie optique ont été effectuées sur des échantillons prélevés dans les plans de normale DA (plan (DT-DR)) et DT (plan (DR-DA) des tubes TREX.

Pour le Zircaloy-4, les métallographies suivant ces deux plans de prélèvement mettent en évidence une microstructure homogène formée par des grains equiaxes (Figure II.1.5 (a) et (b)) d’une taille moyenne de 5,3 ± 0,9 µm suivant la direction axiale et de 5,9 ± 0,6 µm suivant la direction transverse. Les échantillons de M5^® prélevés dans le plan (DT-DR) présentent une microstructure similaire avec des grains equiaxes (Figure II.1.5 (c)) de diamètre moyen 5,5 ± 0,4 µm. Le prélèvement dans le plan (DR-DA) révèle, quant à lui, une microstructure caractérisée par une légère hétérogénéité de la taille des grains et leur allongement préférentiel suivant la direction de laminage correspondant à la direction axiale du tube TREX. Les observations dans ce plan de prélèvement mettent en évidence la présence de zones locales non recristallisées (Figure II.1.5 (d)), distribuées aléatoirement dans le matériau. Cette microstructure du M5^® TREX est le résultat d’un traitement de recristallisation du TREX effectué à une plus faible température que pour le Zircaloy-4 TREX afin d’éviter la formation de la phase β-Zr. En effet, le diagramme de phase Zr-Nb [2] fait apparaître un palier eutectoïde à une température de 620°C.

Par ailleurs, les observations en microscopie optique réalisées sur des échantillons découpés sur plusieurs niveaux dans l’épaisseur des TREX révèlent un faible gradient de taille des grains avec une

(a) (b)

(a) (b)

(c)

Figure II.1.4: Phases secondaires du M5^® TREX – (a) particules β-Nb natifs, (b) phase de Lave Zr(Fe,Nb)2 en champ clair et (c) phase de Lave Zr(Fe,Nb)2 en champ sombre.

Figure II.1.3: Phase de Lave Zr(Fe,Cr)2 observée dans le Zircaloy-4 TREX en axe de zone

taille légèrement plus élevée en peau interne des tubes. Néanmoins, ces écarts restant faibles. Les tubes épais TREX, en Zircaloy-4 et en M5^®, peuvent donc être considérés comme des produits homogènes.

Une vue générale de la microstructure de l’alliage M5^® TREX est donnée par les micrographies MET de la Figure II.1.6.

(a) (b)

50 /0 50 /0

(c)

50 /0 50 /0

(d)

(a) (b)

Figure II.1.6: Vue générale de la microstructure de l’alliage M5^® TREX – (a) grains equiaxes et (b) présence de zones non recristallisées indiquées par des flèches blanches. Figure II.1.5: Microstructure représentative des tubes TREX suivant un prélèvement dans le plan (DT-DR) ((a) et (c)) ou dans le plan (DR-DA) ((b) et (d)) – (a) Zircaloy-4, (b) Zircaloy-4, (c)

II.1.2.3 Caractérisation mécanique en dureté Vickers

La dureté Vickers du Zircaloy-4 TREX mesurée pour les échantillons découpés dans le plan de prélèvement (DR-DA) est de 203 ± 9 HV1. Elle est plus élevée que celle obtenue dans le plan de normale DA (176 ± 4 HV1). Tout comme pour le Zircaloy-4 TREX, la dureté Vickers reportée dans le M5^® TREX suivant le plan de normale DT (186 ± 7 HV1) est supérieure à celle suivant la normale DA (169 ± 4 HV1). Ceci se justifie par la conjonction de deux facteurs : l’anisotropie du comportement mécanique des alliages de zirconium (§ I.1.3.2) avec une difficulté à activer les systèmes de glissement < " 9 ! > (§ I.1.3.1) et la texture transverse prononcée des tubes intermédiaires TREX qui font que ces matériaux sont plus durs suivant DT, direction préférentielle d’orientation des axes cristallographiques$< " >.

En outre, bien que la dureté soit légèrement inférieure en peau interne des tubes, les profils mesurés dans l’épaisseur des tubes de Zircaloy-4 et du M5^® TREX sont globalement constants.

II.1.2.4 Comportement en traction à 300 et 350°C

Des essais de traction ont été réalisés sur des éprouvettes de Zircaloy-4 et de M5^® TREX à une vitesse de déformation de 5×10-4

s^-1 et à des températures de 300 et 350°C. Le choix de la température pour ces essais mécaniques est guidé par l’étude expérimentale portant sur l’effet d’application d’une contrainte macroscopique sur la microstructure des boucles à composante$< " > qui fera l’objet du chapitre quatre de ce mémoire. Cette étude requiert la connaissance du domaine d’application de la contrainte et donc de la limite d’élasticité du matériau à la température étudiée. Les essais ont porté sur des éprouvettes plates de traction d’une longueur utile de 7 mm et d’une épaisseur de 1 mm (Figure II.1.7 (a)). Deux types d’éprouvette sont distingués suivant leur sens de prélèvement: les éprouvettes de traction sens transverse (DT) et celles de sens axial (DA) (Figure II.1.7 (b)).

Lors de ces essais mécaniques conduits jusqu’à rupture des échantillons, deux grandeurs physiques ont pu être suivies : le déplacement de la traverse et la force mesurée par la cellule de charge de la machine de traction. Cette méthode qui consiste à évaluer le déplacement grâce à celui de la traverse fait intervenir la raideur de l’ensemble de l’éprouvette et de la machine. Pour obtenir la courbe typique contrainte – déformation du matériau suivant les deux directions de sollicitation (DT et DA), il est

(b)

(a)

Figure II.1.7 – (a) Géométrie de l’éprouvette plate de traction et (b) schématisation du sens de prélèvement des éprouvettes transverses et axiales.

nécessaire de s’affranchir de la raideur de la machine. Pour cela, on considère que cette dernière se comporte comme un ressort en série avec l’éprouvette. Sa compliance s’obtient donc en soustrayant la pente élastique de la courbe force – déplacement de la souplesse élastique des éprouvettes. Dans cette démarche, nous nous appuyons sur le fait que le comportement élastique des alliages de zirconium peut être considéré comme isotrope pour des sollicitations dans le plan (DT-DA) des tubes minces de texture classique (§ I.1.2.2.2). A 300°C, les modules de Young du Zircaloy-4 recristallisé [3] et du M5^® sont pris égaux à 79 GPa. Les mêmes modules ont été considérés pour les essais à 350°C. Les résultats des essais de traction réalisés pour le Zircaloy-4 et le M5^® TREX suivant les directions de sollicitation DT et DA sont présentés par les courbes conventionnelles contrainte – déformation à 300°C en Figure II.1.8 (a) et à 350°C en Figure II.1.8 (b). Ces courbes montrent une limite d’élasticité plus élevée suivant la direction transverse que suivant la direction axiale. Ce résultat est cohérent avec l’anisotropie du comportement mécanique de ces matériaux caractérisés par leur texture transverse (§ II.1.1).

350°C

Figure II.1.8: Courbes conventionnelles contrainte-déformation du Zircaloy-4 et du M5^®TREX suivant deux directions de sollicitation (DT et DA) – (a) à 300°C et (b) 350°C.

Déformation conventionnelle (%) 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Cont

rain

te

conv

ent

ionnelle (M

P

a)

0 50 100 150 200 250 300 350 Zy-4 TREX, DT Zy-4 TREX, DA M5^® TREX, DT M5^® TREX, DA

300°C

(a)

Déformation conventionnelle (%) 0 10 20 30 40 Co ntra inte co nv en tion ne lle (M P a) 0 50 100 150 200 250 300 350 Zy-4 TREX, DT Zy-4 TREX, DA M5^® TREX, DT M5^® TREX, DA

(b)

350°C

En effet, la déformation de ces alliages s’opère principalement par le glissement prismatique (§ I.1.3.1). Les systèmes de glissement secondaires pour accommoder une déformation le long des

axes cristallographiques < " > étant difficilement activés par rapport au glissement principal prismatique, la direction transverse, direction d’orientation préférentielle des axes < " > dans les tubes TREX, constitue une direction « dure » de ces matériaux. Pour des sollicitations uniaxiales, la texture cristallographique marquée du matériau et le nombre limité de systèmes de déformation plastique conduisent donc à une anisotropie de son comportement traduite ici par la différence entre la limite d’élasticité suivant les deux directions DT et DA.

Les valeurs des limites d’élasticité conventionnelles à 0,2% du Zircaloy-4 et du M5^® TREX à 300 et 350°C sont regroupées dans le Tableau II.1.3. Il apparaît que le Zircaloy-4 TREX est plus résistant que le M5^® TREX pour une sollicitation en traction suivant la direction transverse, ceci pour les deux températures 300 et 350°C. Ce comportement est inversé pour un chargement suivant la direction axiale. Cette inversion pourrait être imputée aux zones non recristallisées du M5^® TREX (§ II.1.2.2). Par ailleurs, ces essais montrent un effet de la température sur la limite d’élasticité du Zircaloy-4 et du M5^® TREX. Cet effet est double : l’élévation de la température diminue la limite d’élasticité ainsi que l’anisotropie du comportement macroscopique suivant les deux directions de sollicitation transverse et axiale. Cet effet de la température sur les propriétés en plasticité des alliages de zirconium a été souligné dans le premier chapitre de synthèse bibliographique (§ I.1.3.2) et peut être associé à une activation facilitée des systèmes de déformation secondaires par l’augmentation de la température. Dans le cadre du travail de thèse de Tournadre [1], des essais de traction suivant les deux directions de sollicitation, DT et DA, ont été réalisés à la température ambiante. Les résultats donnent une limite d’élasticité d’environ 570 MPa pour le Zircaloy-4 TREX suivant DT, 600 MPa pour le M5^® TREX suivant DT, 320 MPa pour le Zircaloy-4 TREX suivant DA et 300 MPa pour le M5^® TREX suivant DA. L’effet de la température est encore une fois prouvé avec des limites d’élasticité plus élevées à l’ambiante qu’à 300 et 350°C. Comme pour nos essais de traction à haute température, Tournadre [1] a noté une inversion du comportement du M5^® TREX vis-à-vis du Zircaloy-4 TREX pour les deux directions de sollicitation en traction.

Tableau II.1.3: Limites d’élasticité conventionnelles à 0,2% (en MPa) des tubes TREX en Zircaloy-4 et en M5^® pour les directions de sollicitation transverse (DT) et axiale (DA) à 300 et 350°C.

Matériau 300°C 350°C Rp0,2 moyen DT Ecart type DT Rp0,2 moyen DA Ecart type DA Rp0,2 moyen DT Ecart type DT Rp0,2 moyen DA Ecart type DA Zircaloy-4 TREX 271 7,3 158 4,29 243 4,4 150 7,6 M5^® TREX 232 7,3 193 17,2 221 4,13 176 8,46

II.2 Irradiations expérimentales aux ions Zr

⁺

Les irradiations aux neutrons réalisées dans les réacteurs de puissance ou dans les réacteurs expérimentaux sont généralement lourdes et coûteuses en temps et en argent. Le recours aux irradiations aux particules chargées permet de s’affranchir de ces contraintes et présente un certain nombre d’avantages. D’une part, les échantillons irradiés ne sont que faiblement actifs ce qui facilite leur manipulation et la caractérisation de leur microstructure après irradiation. D’autre part, les expériences d’irradiation aux particules chargées sont plus faciles à mettre en œuvre et permettent de réduire de façon significative la durée d’exposition des matériaux irradiés. Comme le flux de ces particules est de plusieurs ordres de grandeur plus élevé que celui des neutrons, le dommage d’irradiation est accéléré et il est possible d’atteindre en quelques heures ou quelques minutes des doses équivalentes à plusieurs années d’irradiation dans un réacteur nucléaire (Tableau I.1.2.1). La

prédiction du comportement du matériau à très long terme est améliorée. De plus, les conditions expérimentales des irradiations par particules chargées (flux des particules incidentes, dose et température d’irradiation) sont facilement modifiables et contrôlables permettant ainsi la mise en place des études paramétriques qui portent sur l’évolution de la microstructure sous irradiation.

Tout comme les neutrons rapides, les ions entrent en collision élastique avec les atomes cibles du matériau irradié en créant des cascades de déplacements (§ I.2.1.2.2). Les défauts ponctuels, restant après la relaxation des cascades, diffusent et s’agglomèrent pour former des amas, et plus particulièrement des boucles de dislocation (§ I.2.4.2.3). De ce point de vue, la simulation des irradiations neutroniques par irradiations aux ions apparaît comme une méthode efficace adaptée à notre étude de l’effet de la contrainte et de la température sur la microstructure des boucles à composante$< " >. Cependant, il est important de noter que l’endommagement créé dépend de l’énergie et de la masse des ions incidents. Le choix de ces paramètres ainsi que des conditions d’irradiation doit permettre d’obtenir une microstructure semblable à celle obtenue par irradiation neutronique.

Tout d’abord, nous avons choisi les ions zirconium comme particules incidentes afin d’éviter d’implanter des éléments chimiques étrangers dans les matériaux irradiés. Ces ions lourds créent des cascades de déplacements dont la morphologie est similaire à celle des neutrons. Concernant le choix de l’énergie des ions zirconium incidents, deux points doivent être pris en considération : la profondeur d’endommagement et la durée d’irradiation. Des ions de faible énergie sont rapidement arrêtés par la matière et le dommage d’irradiation créé est superficiel. En contrepartie, le taux de création de dommage est plus important et le temps d’irradiation est réduit. Dans le cadre de nos irradiations, le choix s’est porté sur les ions Zr⁺ de 600 keV. Ces ions sont suffisamment énergétiques pour créer un dommage sur quelques centaines de nanomètres d’épaisseur (Figure II.2.2) ce qui permet la caractérisation par Microscopie Electronique en Transmission de la microstructure irradiée des lames minces dont l’épaisseur est d’environ 150 nm. De plus, avec un flux bien adapté, les doses d’irradiation souhaitées peuvent être obtenues après quelques heures d’irradiation. Ces irradiations ont été conduites dans l’accélérateur ARAMIS du Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse (CSNSM) d’Orsay (Figure II.2.1). Notons également que Tournadre [1], [4] a montré que des irradiations aux ions Zr⁺ de 600 keV permettent de former des boucles à composante < " > dans le Zircaloy-4 recristallisé et le M5®

à partir d’une dose seuil d’irradiation (§ I.2.4.2.3). Ce résultat conforte notre choix des conditions d’irradiation pour notre étude analytique.

Les profils de dommage des irradiations aux ions Zr⁺ de 600 keV, effectuées dans le cadre de ce travail de thèse, ont été simulés à l’aide du logiciel SRIM (Version 2012). Le dommage d’irradiation et la profondeur de pénétration ont été calculés en prenant 40 eV comme énergie seuil de déplacement d’un atome de zirconium de son site cristallin (Norm Reference Test Standard E521-96, Annual Book of ASTM Standards, Philadelphia, PA, USA) [5] et en utilisant le mode « Detailed Calculation with Full Damage Cascades ». Ce mode permet de prendre en compte l’intégralité des cascades de déplacements générées par les ions incidents et les PKA.

Les simulations des irradiations aux ions zirconium avec le logiciel SRIM donnent accès au nombre ~$L”M$de lacunes créées par ion par unité de longueur à une profondeur de pénétration$$”$$de l’ion dans

Profondeur d'irradiation (nm)

0 100 200 300 400 500

Domm

age d'irradia

tion

(nm

)

0 2 4 6 8 10

Lame mince

le matériau. Le nombre de déplacements par atome pour une profondeur$$”$$donnée s’écrit de la manière suivante :

yL”M = @:´$^ƒµ$~L”M_•

Ct ^{Eq. II.2.1}

Dans l’équation Eq. II.2.1, ƒµ est la fluence en ions/cm², ~L”M le nombre de lacunes/ion/Å et •Ct ^le nombre d’atomes par unité de volume exprimé en atomes/cm³ (égal à 4,34×1022

Dans le document Contribution à la compréhension de la déformation sous irradiation des alliages de zirconium à forte dose (Page 93-106)