Etude de la fissuration différée par hydruration d'un alliage de zirconium h/f

Sous l’effet d’un gradient de contrainte, l’hydrogène en solution solide présent dans le métal diffuse vers une potentielle fissure préexistante ; quand la teneur en hydrogène locale dépasse la limite de solubilité en précipitation du matériau, il précipite sous forme d’hydrures. La zone hydrurée croît au cours du temps, et une rupture fragile locale peut se produire si est atteint pour une taille critique de la zone hydrurée. La fissure se propage alors à une vitesse constante, puis de manière instable et ductile lorsque la valeur du facteur d’intensité des contraintes atteint la ténacité du métal (K_IC).
L’étude nécessite également de comprendre l’influence de plusieurs paramètres et de les discriminer. Pour comprendre les mécanismes moteurs de la DHC, il est nécessaire d’investiguer les caractéristiques d’autres phénomènes tels que la diffusion de l’hydrogène dans les alliages de zirconium, sa précipitation et sa cinétique, la réorientation des hydrures et l’influence de l’historique thermique et des contraintes sur ces phénomènes. L’aspect cinétique représente un enjeu théorique : les essais de ténacité standards ne conviennent pas à l’évaluation de K_IDHC .
Pour cela, une première thèse a été réalisée entre 2020 et 2023 au LCMI. Elle a permis de développer une procédure expérimentale de propagation de fissure en DHC dans l’épaisseur de gaines de combustible nucléaire en Zircaloy-4, ainsi qu’un modèle éléments finis reproduisant le phénomène de DHC lors de ces essais.

Objectifs

Cette offre de stage d’inscrit dans la poursuite de la compréhension du phénomène de DHC. Il s’agit ici d’évaluer la ténacité en DHC d’un autre alliage de zirconium (Zircaloy-2) avec une mise en forme et un chargement mécanique différents. D’autres géométries d’éprouvettes doivent être testées et simulées afin d’évaluer le risque lié à ce phénomène. Le sujet de stage s’organise en 3 parties :
- Caractérisation métallographique des hydrures formés expérimentalement dans des échantillons en Zircaloy-2 chargés en hydrogène
- Etude de la ténacité en DHC à partir d’éprouvettes Compact Tension (CT) normalisées, chargées en hydrogène :- Détermination expérimentale de la ténacité en DHC du Zircaloy
- Simulation des essais à l’aide du modèle existant, avec et sans propagation de la fissure (zones cohésives).
- Etude de la ténacité en DHC à partir d’éprouvettes Precracked Charpy V-Notch (PCVN) normalisées, chargées en hydrogène :- Conception d’un montage expérimental permettant la réalisation d’essai sur ce type d’éprouvette.
- Comparaison avec les résultats obtenus sur éprouvettes CT (expérimentaux et numériques).

Le.la candidat.e devra avoir suivi une formation orientée vers la mécanique et la science des matériaux. Des appétences pour les applications pratiques requérant un sens physique pertinent seraient appréciées. Des connaissances en physique (diffusion chimique), en éléments finis, et une maîtrise de la mécanique de la rupture seraient un plus. Le.la stagiaire devra être force de proposition.

Ce stage permettra de développer des compétences en mécanique de la rupture (théorie, réalisation d’essais mécaniques et modélisation numérique). Par ailleurs, il permettra d’acquérir une vision globale sur le fonctionnement de la R&D dans un centre d’excellence internationale.