Influence of hydrides orientation on strain, damage and failure of hydrided Zircaloy-4. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2005

Influence of hydrides orientation on strain, damage and failure of hydrided Zircaloy-4.

Influence de l'orientation des hydrures sur les modes de déformation, d'endommagement et de rupture du Zircaloy-4 hydruré.

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Abstract

In pressurized water reactors of nuclear power plants, fuel pellets are contained in cladding tubes, made of Zirconium alloy, for instance Zircaloy-4. During their life in the primary water of the reactor (155 bars, 300°C), cladding tubes are oxidized and consequently hydrided. A part of the hydrogen given off precipitates as Zirconium hydrides in the bulk material and embrittles the material. This embitterment depends on many parameters, among which hydrogen content and orientation of hydrides with respect to the applied stress. This investigation is devoted to the influence of the orientation of hydrides with respect to the applied stress on strain, damage and failure mechanisms. Macroscopic and SEM in-situ ring tensile tests are performed on cladding tube material (unirradiated cold worked stress-relieved Zircaloy-4) hydrided with about 200 and 500wppm hydrogen, and with different main hydrides orientation: either parallel or perpendicular to the circumferential tensile direction. We get the mechanical response of the material as a function of hydride orientation and hydrogen content and we investigate the deformation, damage and failure mechanisms. In both cases, digital image correlation techniques are used to estimate local and global strain distributions. Neither the tensile stress-strain response nor the global and local strain modes are significantly affected by hydrogen content or hydride orientation, but the failure modes are strongly modified. Indeed, only 200wppm radial hydrides embrittles Zy-4: sample fail in the elastic domain at about 350MPa before strain bands could develop; whereas in other cases sample reach at least 750MPa before necking and final failure, in ductile or brittle mode. To model this particular heterogeneous material behaviour, a non-coupled damage approach which takes into account the anisotropic distribution of the hydrides is proposed. Its parameters are identified from the macroscopic strain field measurements and a quantitative characterization of hydrides orientation by means of images analysis. The results for the 200wppm-content are in agreement with experimental observations.
Le Zircaloy-4 est un alliage de zirconium utilisé dans la fabrication des tubes de gainage de combustible nucléaire. Durant la période de fonctionnement, l'oxydation des tubes par l'eau du circuit primaire engendre une diffusion d'hydrogène dans le Zircaloy qui peut ensuite précipiter sous forme d'hydrures de zirconium selon la limite de solubilité de l'hydrogène dans le zirconium à la température considérée. La fragilisation induite par la précipitation d'hydrures dépend de nombreux paramètres, notamment de la teneur en hydrogène et de l'orientation des hydrures par rapport à la sollicitation. Ce travail de thèse a consisté à étudier l'influence de la présence d'hydrures radiaux pour deux teneurs en hydrogène (200 et 500 ppm) à température ambiante, sur les modes de déformation, d'endommagement et de rupture du matériau dans sa finition industrielle, le Zircaloy-4 détendu. Pour cela, des essais de traction sur anneau ont été réalisés, au cours desquels la technique de corrélation d'images numériques a été utilisée pour accéder aux champs de déformation, à l'échelle globale (essais macroscopiques) ou à l'échelle locale (essais in-situ sous MEB). L'étude des champs de déformation macroscopique et des faciès de rupture nous permet de distinguer trois classes parmi les différentes configurations étudiées : d'abord, les échantillons dont la rupture est ductile, ceux pour lesquels elle est fragile et enfin ceux dont la rupture est fragile après déformation ductile. Les champs de déformation locaux en revanche ne sont pas notablement modifiés par la présence d'hydrures. Certaines informations issues des champs de déformation macroscopique ainsi que des données quantitatives sur la distribution d'orientation des hydrures obtenues par analyse d'images, ont permis de formuler un critère de rupture pour le matériau hydruré à 200 ppm. Ce critère basé sur la mécanique de l'endommagement non-couplé permet de reproduire les courbes de comportement obtenues expérimentalement pour les trois distributions d'orientation des hydrures étudiées.
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Dates and versions

pastel-00002307 , version 1 (29-07-2010)

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  • HAL Id : pastel-00002307 , version 1

Cite

Aude Racine. Influence de l'orientation des hydrures sur les modes de déformation, d'endommagement et de rupture du Zircaloy-4 hydruré.. Sciences de l'ingénieur [physics]. Ecole Polytechnique X, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00002307⟩
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