Paramètres environnementaux

On traite ici des paramètres environnementaux : la concentration de l’espèce agressive, la température de l’essai et la présence d’oxygène dans le milieu.

I.4.1.1Concentration en iode

De par la nature de l’endommagement considéré, la concentration en iode a une forte influence sur tous les aspects des essais de CSC-I. Bien souvent elle est exprimée par unité de surface de métal exposé (généralement en mg.cm-2) pour les essais en iode vapeur. Des concentrations volumiques, pression partielle ou masse rapportée au volume de la cellule d’essai, sont également utilisées. Pour les essais en milieu méthanol iodé, la concentration de la solution est donnée en masse d’iode dissous par volume de solution (g/L) ou par masse de solvant (g(I2 dissout)/g(méthanol), notée g.g-1 dans la suite).

Tout d’abord, la concentration définit le domaine d’existence de la CSC-I par l’observation de variables macroscopiques (déformation, contrainte et temps à rupture). Une et Amaya ont réalisé des synthèses bibliographiques de différentes études de CSC-I en milieu iode vapeur (Une 1984; Amaya 2004). A cause des nombreux paramètres affectant la CSC-I, les concentrations seuil sont très différentes d’une étude à l’autre, passant de 0.001 à 3 mg.cm-2 ou de 0.004 à 1.14 mg.cm-3. En milieu méthanol iodé, beaucoup moins d’études sont disponibles. Les concentrations étudiées sont comprises entre 10-6 et 10-2 g.g-1. La détermination des concentrations seuil pour ce milieu n’est pas rapportée. Seule Serres note

l’absence de fissuration sur des éprouvettes de Zircaloy-4 recristallisé non irradiées pour des concentrations inférieures à 6 10-6 g.g-1 (Serres 2008) alors qu’elle est observée par Jacques à la même concentration mais à une vitesse presque dix fois inférieures (1.5 10-6 s-1 contre 10-5 s-1) (Jacques 1994).

Dans le domaine de CSC-I en iode vapeur, plusieurs auteurs rapportent l’absence d’effet d’une augmentation de la concentration. C’est notamment le cas de Busby pour des essais de pressurisation interne de tubes en Zircaloy-4 détendu et recristallisé, à 360 et 400°C, pour des concentrations de 0.005 à 0.08 mg.cm-2 (Busby 1975). Il apparaît en effet que les effets de la concentration saturent très vite au-delà d’une concentration critique supérieure à la concentration seuil. Wood a observé une telle transition sur des anneaux ouverts en Zircaloy-2 à 300°C sollicités à des contraintes proches de la limite d’élasticité et pour des durées d’essais de 1000 h maximum (Wood 1972). Il a déterminé une concentration seuil de 0.03 mg.cm-2 au-delà de laquelle des ruptures se produisent, pour un temps de 300 h environ. A partir de 1 mg.cm-2, les temps à rupture chutent à moins de 1 h. Une transition aussi brutale est également observée sur les déformations à rupture, par Hoffman sur du Zircaloy-4 entre 500 et 900°C entre 1 et 10 mg.cm-3 et par Dakin sur des tubes de Zircaloy-2 détendu irradiés ou non vers 1 mg.cm-2 (Hofmann 1982; Dakin 1994). Il est donc possible de ne pas observer d’influence de la concentration en iode si l’intervalle de concentration n’est pas balayé assez finement ou si les temps d’essais sont trop courts. En méthanol iodé, Munch a trouvé des déformations à rupture de 17.5%, 14.6% et 3.1% pour des éprouvettes de traction en Zircaloy-4 recristallisé sollicitées à 10-5 s-1 à des concentrations de 5, 12 et 100 10-6 mg.cm-2 (Munch 2004). Elayaperumal constate une baisse du temps à rupture de 4 à 1 h sur des éprouvettes de traction en Zircaloy-2 contraintes à 75% de la limite d’élasticité, en milieu méthanol bouillant quand la concentration passe de 2 10-5 à 2 10-4 g.g-1 (Elayaperumal 1972). Il est possible qu’une transition (chute brutale de la ductilité et/ou du temps à rupture) avec la concentration existe également en méthanol iodé mais le manque de données ne permet pas de la mettre clairement en évidence.

Figure I.18 : Influence de la concentration en iode en milieu méthanol iodé sur la vitesse de propagation des fissures (gauche, Zircaloy-4, de 5 10-5 à 5 10-4 g.g-1, (Serres 2010)) et la densité de fissure en fonction de la déformation locale (droite, Zr, de 4 à 8 10-6 g.g-1, (Jacques 1999a)). Les flèches noires ont été raj outées pour montrer le sens de l’augmentation de la concentration.

I.4 Facteurs influençant la CSC-I 35 La concentration en iode a également un impact sur les modes de fissuration. La proportion de fissuration intergranulaire augmente avec la concentration. Cela a été observé par Angeliu en iode vapeur à plus de 316°C sur des éprouvettes de mécanique de la rupture d’un alliage de zirconium recristallisé non précisé (Angeliu 2009) mais également par Munch en milieu méthanol iodé (Munch 2004). La vitesse de propagation pour un même facteur d’intensité des contraintes croit également avec la concentration comme cela a été montré par Serres en méthanol iodé sur le Zircaloy-4 recristallisé (Serres 2010) (Figure I.18, gauche) ou Ghosal en iode vapeur sur Zircaloy-2 recristallisé. Serres a également observé que le facteur d’intensité des contraintes correspondant à la transition intergranulaire/mixte augmentait légèrement avec la concentration, signe que cette dernière favorise légèrement plus la fissuration inter- que trans-granulaire.

La concentration joue également sur l’amorçage des fissures en surface. Jacques constate une augmentation d’un facteur 5 de la densité de fissures quand la concentration en iode est multipliée par 2, sur des éprouvettes de traction en Zircaloy-4 recristallisé en milieu méthanol iodé (Jacques 1999a) (Figure I.18, droite).

I.4.1.2Température

On rappelle ici quelques résultats relatifs à l’effet de la température bien que celle-ci sera maintenue constante pour l’ensemble des essais de CSC-I de l’étude. La température est un paramètre essentiel de la CSC-I puisqu’elle a un impact sur le comportement mécanique du matériau (résistance mécanique, activation du fluage) et la réactivité des espèces chimiques (que ce soit l’iode ou l’oxygène pour des phénomènes de repassivation). Là encore, les différences de conditions expérimentales entre études peuvent mener à des effets apparemment contradictoires.

Wood observe une augmentation de la sensibilité à la CSC-I (en termes de temps à rupture pour un chargement assimilable à du fluage) en milieu iode vapeur pour différents alliages quand la température augmente de 220 à 300°C ; il attribue cela à une meilleure réactivité chimique à haute température (Wood 1972). Un même effet est noté par Jones sur du Zircaloy-2 détendu entre 320°C et 360°C où une baisse de la contrainte seuil de 300 à 280 MPa est observée (Jones 1980). Busby a également observé cet effet sur des tubes de Zircaloy-4 détendu et recristallisé entre 360°C et 400°C (Busby 1975). Goryachev constate quant à lui un maximum de sensibilité à 380°C lors de son étude sur des éprouvettes de traction en Zr-1%Nb sollicitées à vitesse de déformation imposée entre 20 et 400°C à une pression partielle d’iode de 900 Pa (Goryachev 1992). L’influence de l’iode sur la ductilité apparaît vers 200°C, atteint son maximum à 380°C (ductilité divisée par 4 par rapport au milieu inerte) mais disparaît presque quand la température atteint 400°C. Ryu a constaté sur des essais de pressurisation interne sur tubes en Zircaloy-4 détendu que la concentration de transition, pour laquelle les effets de l’iode sont importants et saturent, augmente avec la température, de 0.6 à 2 mg.cm-2 entre 330 et 400°C (Ryu 1988). Du point de vue de la propagation, Angeliu constate la disparition des traces intergranulaires sur le faciès de rupture quand la température passe de 343 à 482°C (Angeliu 2009).

La température a également une influence en milieu méthanol iodé. Ainsi Elayaperumal constate que pour une même concentration de 2.5 10-5 g.g-1, la perte de masse de ses éprouvettes en Zircaloy-2 recristallisé, contraintes à 75% de leur limite d’élasticité, est deux fois plus importante à 65°C qu’à 22°C (Elayaperumal 1972). La perte de masse suit une loi de type Arrhenius. Gomez-Sanchez a étudié la rupture de fils de Zircaloy-4 recristallisé sollicité à 4.7 10-6 s-1 dans des solutions de pentane et butanol à des concentrations en iode supérieures à 10-2 g.g-1 à différentes températures (Gomez-Sanchez 2007). Le temps à rupture est divisé par 4 entre 20 et 90°C et les vitesses d’avancées de fissures augmentent en suivant également une loi d’Arrhenius.

Figure I.19 : Détermination de la c ontrainte seuil de sensibilité à la CSC-I du Zircaloy-2 détendu testé par pressurisation interne en milieu iode vapeur à deux températures (Jones 1980).

Figure I.20 : Relation entre la contrainte seuil et la limite d’élasticité pour différents alliages, irradiés ou non, détendus ou recristallisés. Compilation de plusieurs études réalisées par Une, (Une 1984).

I.4.1.3Teneur en oxygène

Les effets protecteurs de la couche d’oxyde (voir paragraphe I.4.3) et la facilité d’oxydation des alliages de zirconium nécessitent de porter une attention particulière à la teneur en oxygène pendant les essais. Fregonese a remarqué que, lorsque l’iode est relâché dans l’air plutôt que dans le vide, les fissures sont moins nombreuses et plus courtes sur des éprouvettes de traction en zirconium pur sollicitées à vitesse de déformation imposée à 350°C (Fregonese 1999). Ce serait le signe d’une compétition entre attaque de l’iode et repassivation du matériau. Cet effet a été observé sur du zirconium car, sur Zircaloy-4, il est masqué par la très grande sensibilité à la CSC-I. Yang a, lui, observé qu’en présence d’oxygène la pression limite en espèce agressive est divisée par 2 lors d’essais sur tubes en Zircaloy-4 testés à 360°C (Yang 1989). Il a utilisé ici des cristaux de ZrI4 pour endommager

le matériau. Il suppose que la présence d’oxygène permet de transformer cet iodure en zircone et ainsi de relâcher de l’iode libre, qui serait encore plus agressif vis-à-vis du matériau. Wood constate également que la présence d’air ou de fer dans le milieu favorise la CSC-I (Wood 1972). La présence d’oxygène dans le milieu, qui n’est pas systématiquement quantifiée, peut avoir des effets importants sur la sensibilité à la CSC-I. Jacques et

I.4 Facteurs influençant la CSC-I 37 Fregonese supposent qu’en méthanol iodé et à température ambiante la repassivation du matériau est peu probable.