Étude de la fragilisation des aciers T91 et 316L par l'eutectique plomb-bismuth liquide, Study of embriittlement of T91 and 316L steels by liquid lead-bismuth eutectic

Zehoua Hamouche

Description

Sous la direction de Ivan Guillot, Thierry Auger
Thèse soutenue le 25 janvier 2008: Paris Est
L’objectif de cette étude est d’aboutir à une meilleure compréhension de la fragilisation par les métaux liquides (FML) à travers l’étude des systèmes T91/Pb-Bi et 316L/Pb-Bi et notamment d’en établir les mécanismes mis en jeu lors du contact entre ces aciers sous tension et le métal liquide. Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet MEGAPIE-TEST mis en place pour étudier la faisabilité d’une cible de spallation au plomb-bismuth liquide. L’effet de l’eutectique plomb-bismuth liquide sur le T91 et le 316L a été étudié en fonction de la température et de la vitesse de déformation, en utilisant des éprouvettes CCT adaptées à l’étude de propagation de fissures. La présence de Pb-Bi modifie le mécanisme de rupture du T91 au détriment de la germination, croissance et coalescence des cavités. La rupture procède alors par décohésion des bandes de cisaillement. L’effet fragilisant du Pb-Bi est très marqué aux très faibles vitesses de déformation. Une transition fragile-ductile se produit aux grandes vitesses de déformation (~10-5 m.s-1 à 160°C). Les propriétés mécaniques du 316L ne sont pas autant affectées par la présence de Pb-Bi, toutefois une transition réelle est observée sur les faciès de rupture, où là également il y a compétition entre l’effet fragilisant du métal liquide et la rupture ductile. Le mécanisme suggéré dans ce travail est fondé sur la localisation de la déformation en pointe de la fissure combinée au phénomène de réduction d’énergie de surface induite par adsorption de métal liquide (effet Rebinder) et ne fait intervenir aucun processus diffusionnel en particulier aux joints de grains.
-Fragilisation par les métaux liquides
-Rupture fragile
-Transition fragile-ductile
-Acier martensitique T91
-Acier austénitique 316L
The aim of this work is to study liquid metal embrittlement (LME) on the T91/Pb-Bi and 316L/Pb-Bi systems. A particular attention is paid to obtain a better understanding of the mechanisms of fracture when steels are in contact with liquid metal. This work has been performed within the European projects MEGAPIE-TEST and EUROTRANS which aim to prove the feasibility of lead-bismuth nuclear systems such as spallation target and subcritical reactors. The effect of liquid Lead Bismuth Eutectic (LBE) on 316L and T91 steels has been studied in plane stress conditions as a function of temperature and strain rate, using a CCT geometry adapted for the study of crack propagation. The presence of LBE modifies the fracture mechanism of T91 and prevents fracture by growth and coalescence of cavities. Cracking proceeds by shear band decohesion. This embrittlement effect is very pronounced at low deformation rate whereas at the high strain rate range investigated, a brittle to ductile transition is observed. The temperature variation of the transition rules out LME mechanisms based on dissolution. A fracture mechanics analysis by the J-?a methodology allowed the quantification of the embrittlement degree which is estimated to 30% reduction in the energy required for crack propagation. The mechanical properties of the 316L steel are weakly affected by the presence of LBE, in spite of a change in the plastic deformation at the highest triaxiality point which strongly affecting fracture surfaces. The mechanism of this embrittlement seems to be based on the deformation localization at the crack tip combined with the phenomenon of surface energy reduction induced by the liquid metal adsorption. It does not involve any diffusion process. The deformation localization is confirmed by an electron microscopy study of the crack tip plasticity of 316L under the influence of a liquid metal.
-Liquid metal embrittlement
-Brittle fracture
-Brittle-ductile transition
-T91 martensitic steel
-316L austenitic steel
Source: http://www.theses.fr/2008PEST0004/document

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 222
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 53 Mo

Extrait

UNIVERSITE PARIS XII - VAL DE MARNE


THESE

présentée pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE PARIS XII
Discipline : Chimie et Sciences des Matériaux

par

Zehoua HAMOUCHE
Epouse HADJEM



ETUDE DE LA FRAGILISATION DES ACIERS T91 ET 316L
PAR L’EUTECTIQUE PLOMB-BISMUTH LIQUIDE


Soutenue le 25 Janvier 2008, devant le jury composé de :

M. Eric ANDRIEU Président
M. Jean-Bernard VOGT Rapporteur
M. Xavier FEAUGAS Rapporteur
M. Friedrich GROESCHEL Examinateur
Mme. Dominique GORSE Examinateur
M. Ivan GUILLOT Directeur
M. Thierry AUGER Co-directeur



Thèse préparée à l’Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (ICMPE)
CNRS UMR 7182 - Vitry Sur Seine.




























A mon oncle Khaled Hamouche qui a su m’encourager
et me pousser à aller de l’avant,
qu’il repose en paix.


Remerciements

Ce travail réalisé à l’Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est, au sein de l’équipe
MCMC (anciennement appelé CECM), n’aurait pas pu voir le jour sans la présence de
nombreuses personnes que je tiens ici à remercier.

Je souhaite tout d’abord remercier Monsieur Vassilis Pontikis et Monsieur Yannick
Champion, directeurs successifs du CECM, pour m’avoir permis d’effectuer ce travail dans
de bonnes conditions.

Je remercie tout particulièrement Monsieur Ivan Guillot qui a dirigé cette thèse. Avec lui, j'ai
pu travailler avec une grande liberté et avoir d'enrichissantes discussions. Sa grande
pédagogie, son aide aux moments opportuns et ses nombreuses relectures et corrections, ont
été essentielles à la réalisation de cette thèse. Il a bien su me faire confiance et je lui en suis
reconnaissante.

Je remercie chaleureusement mon co-directeur Monsieur Thierry Auger pour son suivi et ses
conseils durant toute la durée de ma thèse, pour ces bons moments partagés durant les travaux
mécaniques et durant les quelques missions à l'étranger. Merci pour m'avoir fait profiter de
l'originalité de tes idées et pour ne jamais compter ton temps lors des discussions
scientifiques.

Je tiens à exprimer ma gratitude aux membres du jury qui ont bien voulu consacrer une partie
de leur précieux temps à ma thèse: ainsi, je remercie Monsieur Eric Andrieu pour m’avoir fait
l’honneur de présider mon jury de thèse. Monsieur Jean-Bernard Vogt et Monsieur Xavier
Feaugas ont acceptés d’être rapporteurs de ma thèse, je les remercie vivement pour l’intérêt
qu’ils ont porté à ce travail. Je remercie également Monsieur Friedrich Groeschel qui s’est
déplacé de loin afin d’examiner mon travail avec soin.

Madame Dominique Gorse m’a fait le plaisir de participer à mon jury de thèse, je la remercie
pour les discussions constructives que nous avons eu, mais aussi pour ses nombreuses et
pertinentes remarques qui ont facilité la correction de ce manuscrit.

Je tiens aussi à adresser mes remerciements aux nombreuses personnes qui m’ont apporté
leurs compétences, leur savoir-faire, ou qui m’ont tout simplement consacré un peu de leur
temps. Ainsi, je remercie très sincèrement Sandrine Guerin pour m’avoir initiée aux machines
des propriétés mécaniques, Audrey Valette pour m’avoir formée au MEB, Marie-France
Trichet pour m’avoir aidée en électro-érosion et Catherine Droniou pour sa sympathie et sa
précieuse aide concernant ma recherche bibliographique. Je remercie également Eric Leroy,
Valérie Lalanne, Guillaume Wang, Jean-Claude Rouchaud, Nicolas Boisseau et Jean-Louis
Bonnentien.



Des personnes qui me tiennent vraiment à cœur vont terriblement me manquer, je tiens
évidemment à remercier Caroline Girod-Labianca, ma copine et fidèle compagne du bureau
isolé! Delphine Ragusa, Rafael Cury, Jean-Phillipe Couzinie, Farah Karmous, Nadia
Cherdoudi. Ils ont su me soutenir tout au long de ma thèse grâce à leur bonne humeur et leurs
judicieux conseils. Nos nombreuses discussions autour des pauses-thé vont assurément me
manquer

Je tiens également à remercier chaleureusement Liliana medina avec qui j’ai passé de très
bons moments au laboratoire et à l’étranger, Sophie Fréchard, Dimitri Mercier, Cyril Thurier
et Béatrice Guiose.
Cela va de soi, je remercie évidemment ma famille et mes amis pour leur irremplaçable et
inconditionnel soutien. Ils ont été présents pour écarter les doutes, soigner les blessures et
partager les joies. Cette thèse est un peu la leur, aussi. Merci Sabiha, Yasmina, Chahra, Sonia,
Souad, Linda, Ismail, Julienne.
Et bien sûr, je ne peux terminer sans exprimer ma profonde gratitude pour mon mari, qui a su
me supporter, m’épauler, me remonter le moral, avec une patience infinie.

Grâce à toutes ces personnes, ces années de thèse resteront toujours associées à une période
très agréable et enrichissante de ma vie.

Il est sûr que j’oublie certaines personnes... qu’ils m’en excusent. Trois années m’ont permis
de rencontrer beaucoup de personnes, qui ont toutes eu un rôle dans ma vie et par conséquent
dans la construction de ce travail. Ils se reconnaîtront. SOMMAIRE
Sommaire
Introduction ______________________________________________________________ 1

Chapitre I Fragilisation par les métaux liquides ___________________________ 7

I.1. Définitions ____________________________________________________________ 7
I.2. Aspect phénoménologique _______________________________________________ 9
I.3. Conditions nécessaires à l’apparition de la fragilisation par les métaux liquides _ 10
I.3.1. Conditions de contact _____________________________________________________ 11
I.3.1.1. Définition du mouillage ___________________________________________________ 11
I.3.1.2. Influence de l’oxydation en surface sur le mouillage, interaction aciers (T91 et 316L)/
métaux liquides (Pb et Pb-Bi) _____________________________________________________ 13
I.3.1.3. Rôle du contact vis-à-vis de la FML _________________________________________ 16
I.3.2. Conditions mécaniques ____________________________________________________ 17
I.4. Présentation des principaux modèles de fragilisation par les métaux liquides _____ 18
I.4.1. Modèles basés sur l'adsorption de métal liquide _________________________________ 19
I.4.1.1. Effet Rebinder : mécanisme de diminution de l’énergie de surface induite par
l’adsorption _____________________________________________________________________ 19
I.4.1.2. Modèle SJWK (Stoloff, Johnson, Westwood, Kamdar): modèle de réduction de
cohésion induite par l’adsorption ___________________________________________________ 20
I.4.1.3. Modèle de Lynch _________________________________________________________ 22
I.4.2. Modèles basés sur la dissolution induite par contrainte : Robertson et Glickman _______ 24
I.4.3. Modèles basés sur la pénétration intergranulaire _______________________________ 27
I.4.4. Synthèse ________________________________________________________________ 28
I.5. Influence des paramètres expérimentaux __________________________________ 30
I.5.1. Conditions de sollicitation _________________________________________________ 30
I.5.1.1. Température _____________________________________________________________ 30
I.5.1.2. Vitesse de déformation ____________________________________________________ 32
I.5.2. Paramètres internes ______________________________________________________ 35
I.5.2.1. Microstructure du métal solide _____________________________________________ 35
I.5.2.2. Taille de grains ___________________________________________________________ 37 SOMMAIRE
I.5.2.3. Eléments d'alliage ________________________________________________________ 38
I.5.3. Synthèse ________________________________________________________________ 42
I.6. Fragilisation des Aciers T91 et 316L par les métaux liquides ___________________ 43
I.6.1. L’acier martensitique T91 __________________________________________________ 47
I.6.2. L’acier austénitique 316L __________________________________________________ 50
I.7. Corrosion dans le Pb-Bi ________________________________________________ 52
I.8. Effet d’irradiation sur les aciers __________________________________________ 54
I.9. Conclusion ___________________________________________________________ 57

Chapitre