2.3.3.
Cette analyse en mécanique de la rupture est valable pour un blister suffisamment profond, c’est-à- dire d’une profondeur de plus de 120 µm, pour un tronçon de Zircaloy-4 pré-hydruré de façon homogène à une teneur de 300 wppm. Pour un défaut moins profond ou pour un matériau non hydruré, le mode de rupture peut évoluer vers une déchirure ductile, comme les modes de rupture observés en Figure 45 a) ou en Figure 58.
2.3 Résultats et Discussions 131 Nous avons considéré dans cette étude que notre matériau était homogène, alors qu’il est en réalité hétérogène, d’une part puisque le blister lui-même est une phase fortement hydrurée au comportement élasto-fragile, et d’autre part en raison du gradient de concentration d’hydrogène et de fraction d’hydrures radiaux sous blister, comme illustré sur la Figure 9. Le blister n’est pas modélisé avec un comportement différent de celui de la matrice de Zircaloy-4, et on peut difficilement identifier le gradient de propriétés dans l’épaisseur, puisque la teneur en hydrogène et la fraction d’hydrures radiaux sous le blister évoluent avec la profondeur du blister. La définition d’un bi-matériau ou d’un matériau à gradient de propriétés apporte quelques difficultés pour le calcul de l’intégrale-J et n’est pas forcément justifiée, en raison de la faible taille de la zone plastique en pointe de fissure, et de la propagation fragile et quasi-instantanée de la fissure dans l’épaisseur. Plusieurs études de la littérature portent cependant sur le comportement à rupture de bi-matériaux hétérogènes fissurés, dont la détermination des intégrales-J nécessite des traitements numériques bien spécifiques ((Kolednik et al. 2005) ; (Rakin et al. 2009)).
Il est également possible que l’on sous-estime la profondeur de défaut en ne prenant pas en compte la longueur des hydrures radiaux ou « sunburst » qui peut prolonger la profondeur de pré-fissure. La détermination de cette longueur de sunburst peut s’avérer délicate et nécessite l’emploi d’un critère de proximité des hydrures radiaux dans une certaine zone, il est également possible que la longueur du sunburst varie avec la profondeur de blister (Figure 100). On effectue une sous- estimation de la ténacité en ne prenant pas en compte la longueur des hydrures radiaux, mais cette approche s’inscrit toutefois dans une démarche conservatrice. Des calculs d’intégrales-J par éléments finis ont été réalisés dans les mêmes conditions que précédemment, à la différence près qu’une longueur de sunburst était inclue dans les profondeurs de fissure, cette longueur étant fixée à 20 % de la profondeur de fissure initiale. Il est apparu que la ténacité moyenne augmentait de 28 %, puisqu’elle passe de 13,8 MPa.m1/2 initialement à une valeur moyenne de 17,7 MPa.m1/2.
Bien qu’il y ait alors une certaine incertitude sur la profondeur de fissure équivalente, l’ordre de grandeur de la ténacité reste inchangé.
Le modèle de comportement influence les champs de contrainte-déformation en pointe de blister, et donc également les niveaux d’intégrales-J. Nous avons vu que le modèle de comportement utilisé pouvait être amélioré afin de mieux représenter les résultats expérimentaux. La difficulté est liée aux nombreux effets de structures qui apparaissent dans ces essais mécaniques, comme la compression du média Téflon et le frottement entre gaine et média de Téflon pour les essais EDC et HB-EDC, la flexion des sections utiles et les frottements entre la gaine et le mandrin d’Inconel pour les essais HT et PST. Il serait également intéressant d’utiliser un modèle viscoplastique anisotrope pour la gaine, ce qui nécessite quelques traitements numériques supplémentaires pour rendre compatible la procédure G_THETA avec l’orthotropie du matériau.
Conclusions
2.3.4.
Une analyse en mécanique élasto-plastique de la rupture a été effectuée à partir d’une base expérimentale d’essais mécaniques correspondant à différents taux de biaxialité des contraintes, réalisés sur des tronçons de tubes de Zircaloy-4 contenant des blisters.
Une étude approfondie des profils et des faciès de rupture a permis de mettre en évidence la rupture fragile du blister et du ligament de matrice sous-jacente, caractérisée par la propagation d’une fissure amorcée au niveau du blister à 90° par rapport à la direction principale de sollicitation.
Des simulations numériques par éléments finis ont été réalisées à partir des essais mécaniques effectués sur les gaines contenant des blisters. En considérant une fissure semi-elliptique dans un matériau élasto-plastique isotrope, des calculs d’intégrales-J en pointe de fissure ont permis d’identifier un critère de rupture en ténacité, avec une ténacité moyenne de 13,8 +/- 3,1 MPa.m1/2.
Ces résultats viennent compléter de manière cohérente les données de la littérature. En effet, de précédentes études portaient sur la détermination de la ténacité de tôles de Zircaloy-4 ou de crayons pré-irradiés soumis à des essais intégraux. La présente étude a alors permis de déterminer directement une valeur de ténacité moyenne sur les tubes de gainage de Zircaloy-4, de façon découplée vis-à-vis de la température et du niveau d’irradiation.
Perspectives
2.3.5.
La présente étude s’est principalement intéressée à des blisters d’une profondeur supérieure à 150 µm. Afin de préciser la valeur de ténacité moyenne obtenue, il serait intéressant d’enrichir la base expérimentale en variant la profondeur de blister pour chacun des essais mécaniques, et en étudiant notamment des blisters de profondeurs comprises entre 0 et 150 µm. Une estimation plus précise de la profondeur de défaut effective, prenant en compte les hydrures radiaux en périphérie du blister, permettrait également d’améliorer la détermination de la ténacité moyenne.
Cette démarche étant directement applicable aux tronçons de gaines irradiées, il est possible de déterminer la ténacité des gaines de Zircaloy-4 irradiées de façon similaire en développant une base expérimentale adéquate.
Des développements numériques autorisant dans la procédure G_THETA la prise en compte d’un modèle de comportement orthotrope, ou la description d’un matériau à gradient de propriétés dépendant de la profondeur de blister, permettront d’affiner la valeur de la ténacité moyenne.
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