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Theses

A multi-physics modelling framework to describe the behaviour of nano-scale multilayer systems undergoing irradiation damage

Résumé : L'endommagement par irradiation mène à la ruine d'un matériaux, il est donc impératif de savoir prévoir son évolution afin de garantir la sécurité des réacteurs nucléaires.Bien que le comportement mécanique sous irradiation ait fait l'objet de nombreuses recherches, les capacités de prédiction actuelles restent limitées.L'agrégation des défauts ponctuels, tels que les lacunes et les auto-interstitiels, provoque du fluage, du gonflement et fragilise le matériau.Les nano-composites multicouches métalliques cristallins sont capables d'évacuer ces défauts ponctuels grâce à leur densité d'interface élevée, et permettent de retarder les phénomènes délétères précédemment cités.Ils ont, de plus, une résistance mécanique élevée.L'objectif de cette thèse est de développer un cadre thermodynamique à l'échelle continue meso et nano-scopique, rendant compte des principaux phénomènes physiques à l'oeuvre dans ces laminés irradiés.Principalement trois points sont abordés: le couplage diffusion-mécanique et le fluage, la nucléation et croissance de cavités sous irradiation, et le comportement mécanique des multicouches.La micro-structure du matériau est ici entièrement modélisée, afin de précisément rendre compte de son influence sur le comportement du matériau.Le fluage par diffusion est traité via une approche originale où le tenseur des vitesses de déformation est directement relié au gradient du flux de lacunes.Un modèle de type Cahn-Hilliard est utilisé afin de prédire la nucléation et la croissance des cavités.Les équations de diffusion y sont complétées pour prendre en compte la production des défauts ponctuels dus à l'irradiation, ainsi que leur recombinaison.Dans les systèmes multicouches, une zone affecté par l'interface est définie, dans laquelle les dislocations peuvent être annihilées.De plus, l'interface elle même est traitée comme un plan de glissement cristallographique.Le modèle est implémenté numériquement via la méthode des éléments finis.Des simulations de fluage couplé à la diffusion de lacunes sont pour la première fois réalisé sur des agrégats polycristallins, prédisant des champs de déformation intra-granulaire fortement hétérogènes.De plus, la vitesse de fluage macroscopique obtenue met en évidence les dépendances classiques à la taille de grain ainsi qu'à la contrainte appliquée.Lors des simulations d'irradiation de multicouches, des zones libres de cavités sont prédites de part et d'autre des interfaces, en accord avec les observations expérimentales.Enfin, des essais de traction sont simulés sur des systèmes Cu-Nb en 3D, mettant en évidence un mode de déformation complexe, et un effet moindre de l'anisotropie élastique.
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Contributor : Abes Star :  Contact
Submitted on : Saturday, April 4, 2015 - 12:47:05 PM
Last modification on : Tuesday, July 21, 2020 - 3:18:28 AM
Document(s) archivé(s) le : Sunday, July 5, 2015 - 10:06:55 AM

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2015ENMP0002.pdf
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  • HAL Id : tel-01139357, version 1

Citation

Aurélien Villani. A multi-physics modelling framework to describe the behaviour of nano-scale multilayer systems undergoing irradiation damage. Materials and structures in mechanics [physics.class-ph]. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2015. English. ⟨NNT : 2015ENMP0002⟩. ⟨tel-01139357⟩

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