3 M ODÉLISATION ET INTERPRÉTATION DES ESSAIS DE CSC
3.3 A NALYSE D ’ ESSAIS DE CHARGE / DÉCHARGE RÉALISÉS SUR MATÉRIAU NON IRRADIÉ
Dans ce paragraphe, il est question de la simulation des essais de CSC de charge/décharge qui ont été présentés au paragraphe 2.3.3. L’objectif de cette étude est, d’une part, d’évaluer les champs mécaniques hétérogènes régnant au sein des éprouvettes et, d’autre part, d’étudier le rôle des différents paramètres mécaniques sur la propagation d’une fissure de CSC, afin de corréler les résultats numériques obtenus avec les observations expérimentales.
3.3.1 Conditions expérimentales modélisées
Le tableau VI-9 présente les différents essais qui ont été simulés14.
En plus du chargement en pression interne, nous avons simulé l’amorçage puis la propagation d’une fissure de corrosion sous contrainte. Le tube ne présente initialement aucun défaut (tube sain). Pour écrire une loi de propagation simple, nous nous sommes basés sur les différentes
hypothèses retenues dans les modèles macroscopiques décrits au chapitre IV, à savoir que la propagation intergranulaire débute dès le franchissement d’une contrainte limite (nous avons toutefois négligé le temps nécessaire pour atteindre cette contrainte). Comme pour les simulations réalisées sur matériau irradié, nous faisons l’hypothèse forte, que les vitesses de propagation intergranulaire (vIG) et transgranulaire (vTG) sont constantes au cours des calculs et
sont identiques quel que soit le chargement appliqué (fig. VI-16). Nous n’étudierons ainsi que les évolutions des paramètres mécaniques en pointe de fissure en fonction des sollicitations mécaniques imposées.
TABLEAU VI-9. Essais de CSC simulés sur Zircaloy-4 détendu non irradié.
Réf. calculs Description de l’essai
1 Essai conventionnel Σθθ = 350 MPa
2 Essai de charge/décharge Σθθ H = 430 MPa, Σθθ B = 350 MPa, sans palier haut (0 min) 3 Essai de charge/décharge Σθθ H = 430 MPa, Σθθ B = 350 MPa, avec palier haut (20 min) À titre indicatif, la durée de mise en pression jusqu’à 350 MPa (resp. 430 MPa) est de 222 s (resp. 273 s).
Précisons maintenant les valeurs que nous avons retenues pour décrire la propagation : - la vitesse intergranulaire vIG = 0,01 µm.s-1 ;
- la vitesse transgranulaire vTG = 1 µm.s-1 ; - la profondeur de transition aIG-TG = 50 µm.
Ces vitesses sont cohérentes avec les valeurs mesurées (phase transgranulaire) et estimées (phase intergranulaire) au CEA Grenoble et celles disponibles dans la littérature (voir par exemple
[Cox 1990 b] et différentes figures du chapitre III). La profondeur de changement de mode
correspond aux dimensions observées au MEB (voir paragraphe 2.3.3). Nous supposons que la fissure se propage dès la mise en pression afin de simplifier l’analyse des résultats. Dans ce cas, la profondeur de la fissure à la fin de la montée en pression est de 3 µm environ, ce qui pourrait être la taille d’un défaut de fabrication du tube, ce qui ne remet pas en cause notre hypothèse.
CHAPITRE VI. Étude expérimentale de la CSC des alliages de zirconium
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FIG. VI-16. Définition de la loi de propagation d’une fissure de CSC. Simulations
d’essais sur Zircaloy-4 détendu non irradié. Vitesses moyennes d’après [Delette 1994].
3.3.2 Dépouillement des paramètres mécaniques en pointe de fissure15
Nous allons maintenant présenter l’évolution des différents paramètres mécaniques en pointe de fissure et déterminer leurs variations en fonction du chargement mécanique. Rappelons que les paramètres mécaniques (locaux) qui sont susceptibles de gouverner le processus de fissuration par corrosion sous contrainte sont : la contrainte, la déformation (visco)plastique et la vitesse de déformation (visco)plastique.
Traçons l’évolution de ces trois grandeurs en pointe de fissure au cours de la phase de propagation intergranulaire (profondeur de la fissure allant de 0 à 50 µm, soit une durée de 5000 s). Les figures VI-17 à VI-19 montrent les résultats obtenus. Pour des raisons numériques, ces grandeurs sont en fait évaluées en avant de la fissure, dans la direction de propagation, à quelques microns de la pointe (2 µm pour la contrainte Σθθ, 6 µm pour la déformation viscoplastique vp
Eθθ et 10 µm pour la vitesse de déformation viscoplastique vp E&θθ).
On constate une augmentation importante de la déformation plastique en pointe de fissure avec la durée du palier haut à 430 MPa. En revanche, les évolutions de la contrainte circonférentielle et de la vitesse de déformation plastique ne présentent que de faibles écarts au début de la propagation de la fissure (environ 100 MPa sur la contrainte et même ordre de grandeur pour la vitesse de déformation viscoplastique), c’est-à-dire lorsque les chargements imposés sont différents. Ensuite, ces grandeurs sont quasiment égales durant toute la suite de la propagation intergranulaire. En ce qui concerne la phase de propagation transgranulaire, les résultats, que nous n’exposerons pas ici, sont similaires, à savoir que les niveaux de déformation viscoplastique sont très différents entre les trois essais simulés, par contre, les évolutions des deux autres grandeurs mécaniques sont identiques.
En se basant sur les données de la littérature, il est intéressant de noter que les vitesses de déformation viscoplastique circonférentielle obtenues en pointe de fissure sont dans le domaine de vitesses où la sensibilité à la CSC est la plus importante (voir par exemple les figures III-4 et III-5).
15 D’autres dépouillements ont été réalisés mais nous avons choisi de ne pas les présenter, car cela alourdirait inutilement notre propos, sachant que les seuls résultats exposés démontrent bien l’utilité de nos calculs par éléments finis des essais sur matériau non irradié et mettent bien en évidence les données expérimentales nécessaires à acquérir.
CHAPITRE VI. Étude expérimentale de la CSC des alliages de zirconium
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FIG. VI-17. Évolution de la déformation viscoplastique circonférentielle
vp
Eθθ en pointe de fissure au cours de la propagation.
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FIG. VI-18. Évolution de la contrainte circonférentielle Σθθ
CHAPITRE VI. Étude expérimentale de la CSC des alliages de zirconium
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FIG. VI-19. Évolution de la vitesse de déformation viscoplastique
circonférentielle E&vpθθ en pointe de fissure au cours de la propagation.
En conclusion, au vu des calculs et des hypothèses retenues, le pilotage de la fissuration par la déformation plastique en pointe de fissure ne semble pas être compatible avec les résultats expérimentaux obtenus, c’est-à-dire des durées de vie identiques malgré des déformations très différentes. Par contre, il n’est pas possible de discriminer entre les deux paramètres que sont la contrainte et la vitesse de déformation. Toutefois, il est important de vérifier l’hypothèse forte de nos calculs où nous supposions une propagation intergranulaire lente débutant dès les premiers instants de la mise en charge. Ce point essentiel sera étudié dans le chapitre suivant.