Modélisation des cinétiques de recristallisation connues du tungstène

Le modèle phénoménologique du JMAK permet de modéliser l'évolution de X en fonction d'un temps de maintien en température (équation I.2.3.4) [F.J.Humphreys and M.Hatherly, 2004]. On parle alors de cinétiques de recristallisation d'un matériau. La cinétique de recristallisation est obtenue à partir de l'estimation de trois paramètres (b, n et tinc) tels que :

X(t) = 1 − exp(−bⁿ(t − tinc)ⁿ) (I.2.3.4) Où :

-b et n désignent deux paramètres thermo-dépendants

-tinc désigne le temps d'incubation du matériau introduit section 2.3.1.2. Ce paramètre est également thermo-dépendant et correspond au temps nécessaire à la germination du premier cristal recristallisé. Ainsi tincse traduit mathématiquement par :

t < tincX = 0 t > tinc0<X≤1

Seules les cinétiques de recristallisation obtenues par Alfonso et al sont actuellement connues pour le tungstène répondant aux spécications ITER. Ces cinétiques ont été étudiées à partir de deux lots de matière dont la seule diérence correspond au taux de corroyage. Ce taux dénit le rapport entre la section de la pièce avant l'étape de déformation et la section de la pièce après l'étape de déformation (laminage, forgeage,...).

Dans le cadre de ces travaux, Alfonso et al ont mis en évidence l'impact du procédé de fabrication sur les cinétiques de recristallisation du matériau. En eet, comme le montre la gure I.2.3.4, le temps nécessaire pour atteindre X = 100% est de 20h pour le lot de tungstène corroyé à 90% (W90) et 120h pour le lot de tungstène corroyé à 67% (W67).

Sur la plage de température étudiée (1150°C à 1350°C), Alfonso et al ont également donné une évolution de chaque paramètres du JMAK (b, n et tinc) en fonction de la température. Ses résultats mettent en évidence que le paramètre n est indépendant de la température et du lot de tungstène étudié (égale à environ 1,1). Pour ce qui est des paramètres b et tinc, leur dépendance à la température est présenté sous forme de lois d'Arrhenius [Alfonso Lopez et al., 2015].

Bien que ces travaux orent des résultats intéressants, cette section révèle que peu de données sont actuellement disponibles dans la littérature. En eet, bien que les cinétiques de recristallisation obtenues par Alfonso et al démontrent une dépendance importante à la température, ces cinétiques ont été obtenues sur une plage de température limitée (1150°C à 1350°C) au regard de celle que subissent les composants en environnement tokamak.

Ainsi, dans le cadre de cette thèse, une campagne de test est envisagée an de compléter les données sur la plage de température adéquate (1150°C-1800°C). Nous verrons également que cette étude est réalisée sur d'autres lots de matière issus de fournisseurs ou de procédés de fabrication diérents.

SECTION 2.4. CONCLUSION DU CHAPITRE

Figure I.2.3.4  Cinétiques de recristallisation obtenues à 1250°C pour deux lots de tungstène (W67 et W90) répondant aux spécications ITER et fournis par la société AT&M [Alfonso Lopez et al., 2015]

A retenir :

- Le phénomène de recristallisation joue un rôle important dans la dégradation des propriétés mécaniques du tungstène.

- Le tungstène présente un comportement élastique parfaitement plastique pour une température supé-rieure à la DBTT.

- Le tungstène recristallisé présente un comportement élasto-plastique à écrouissage cinématique pour une température supérieure à la DBTT.

- Une campagne d'essais de type charge-décharge visant à étudier le comportement mécanique du tungs-tène et du tungstungs-tène recristallisé sur la plage de températures représentative de l'utilisation de ce matériau au sein du tokamak ITER (20°C-2000°C) et à des vitesses de déformations d'intérêts sera réalisée dans le cadre de cette thèse.

- Une méthodologie a été développée par Li et al pour estimer la durée de vie des composants à partir de l'incrément de déformation plastique équivalent.

- Bien que la DBTT ait été identiée comme jouant un rôle dans l'estimation de la durée de vie du composant, aucune étude expérimentale ne sera réalisée dans le cadre de cette thèse.

- Une étude expérimentale visant à étudier les cinétiques de recristallisation du tungstène à hautes tem-pératures (>1350°C) à partir de mesures de dureté sera réalisée dans le cadre de cette thèse.

2.4 Conclusion du chapitre

Dans ce chapitre, un bilan des comportements mécaniques connus pour le tungstène et le tungstène recristallisé a été présenté. Les lois de Manson-Con mettent en évidence qu'à faible nombre de cycles (< 104) la résistance en fatigue du tungstène recristallisé est plus faible que celle du tungstène. Dans le même temps, et malgré le manque de données disponibles dans la littérature, il a également été mis en évidence que la recristallisation de ce matériau a pour conséquence de dégrader la limite d'élasticité initiale du matériau et favorise ainsi la déformation plastique au cours des cycles thermiques. La connaissance de l'état microstructural du matériau est donc primordiale. Une campagne expérimentale a été menée dans le cadre de cette thèse pour caractériser à partir de mesures de dureté les cinétiques de recristallisation

de ce matériau.

Ce chapitre présentait également les travaux de Li et al qui visent à estimer numériquement la durée de vie des composants à partir de l'incrément de déformation plastique équivalent calculé à chaque cycle thermique. Par manque de données disponibles, les simulations numériques réalisées prennent comme données d'entrée des propriétés mécaniques non représentatives du tungstène et du tungstène recristallisé répondant au cahier des charges d'ITER. Par conséquent, il est proposé dans la suite de cette étude, de réaliser une campagne de tests an d'étudier le comportement mécanique du tungstène et du tungstène recristallisé sur une large plage de températures et de vitesses de déformation.

Enn, il est également proposé dans cette thèse de tenir compte de l'état microstructural du tungstène pour l'estimation de l'incrément de déformation plastique équivalent à chaque cycle thermique.