Étude du glissement des dislocations <c+a> dans le zirconium - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2020

Study of dislocation glide in zirconium

Étude du glissement des dislocations dans le zirconium

Abstract

Zirconium alloys are used in the nuclear industry as fuel cladding tubes and structural components of the fuel assemblies. In order to properly predict the mechanical behavior of those alloys throughout their usage time, it is necessary to understand the physical mechanisms controlling plasticity. Deformation in metals is usually accommodated by dislocation glide and twinning. Zirconium has a hexagonal close packed structure and its plastic deformation is anisotropic. For a mechanical loading along the axis of the crystal, the principal deformation mode corresponding to dislocation glide cannot accommodate the deformation and dislocation glide and twinning have to be activated. This thesis aims to study properties of dislocations based on two complementary approaches, Transmission Electron Microscopy (TEM) observations and atomic simulations.TEM observations underlined the glide system of the dislocations, which exclusively glide in first order pyramidal planes even, with cross slip between different first order pyramidal planes being activated at room temperature. dislocations appear rectilinear, with a preferential orientation along the direction which is the intersection between the glide plane and the basal plane. TEM in situ tensile test experiments show that this orientation glide with difficulty. Two types of glide mechanism were observed: a rigid motion where the dislocation keeps its shape while gliding and a viscous motion of these segments leading to the creation of macro-kinks.Atomic simulations rationalize the glide of dislocations in first order pyramidal plane with the existence of stacking faults in the possible glide planes and with a ground state structure of the screw dislocation which dissociates in two non-equivalent partial dislocations in a first order pyramidal plane. The evolution of this structure under an applied stress allowed to obtain the Peierls stress which depends on the direction of the applied stress and underlined a difficult glide: the Peierls stress of this screw dislocation is thirty times greater than the one of the dislocation. Thermal activation appears therefore necessary for dislocation glide. Molecular dynamics simulations evidence a glide of the screw dislocation operating by double kinks nucleation. The structure of the dislocation oriented in its direction is dissociated in its glide plane, i.e. a first order pyramidal plane, and also a secondary plane whose nature varies with the energetic model. This secondary dissociation is expected to explain the difficult glide of this orientation.
Les alliages de zirconium sont utilisés dans l’industrie nucléaire pour la fabrication des assemblages combustibles (tube guides, gaines et grilles). Afin de correctement prédire le comportement de ces alliages au cours de leur utilisation, il est nécessaire de connaître leur comportement mécanique. La déformation des métaux s’effectue généralement par glissement des dislocations et par maclage. Le zirconium présentant une structure hexagonale compacte, le développement de la déformation plastique est anisotrope. Pour une sollicitation suivant la direction du cristal, le mode de déformation principal correspondant au glissement de dislocations de vecteur de Burgers ne permet pas d’accommoder la déformation et le glissement de dislocations à vecteur de Burgers ou le maclage doit s’activer. Cette thèse a pour but d’étudier les propriétés de ces dislocations en se basant sur deux approches complémentaires, des observations en microscopie électronique à transmission (MET) et des simulations atomiques.Les observations MET ont permis de mettre en évidence le système de glissement des dislocations  : ces dernières ne glissent que dans des plans pyramidaux de première espèce. Le glissement dévié est fréquemment observé entre plans pyramidaux de première espèce. Les dislocations apparaissent rectilignes et orientées préférentiellement dans leur orientation , soit l’intersection entre le plan de glissement et le plan de base. Lors d’essais de traction in situ en MET, le glissement de ces dislocations a été observé et un glissement plus difficile de la dislocation dans son orientation a été démontré. Deux types de glissement ont été observés : un glissement rigide où la dislocation avance en bloc dans son plan de glissement et un glissement visqueux des segments conduisant à la création de macro décrochements.Les simulations atomiques ont permis d’expliquer le glissement dans le plan pyramidal de première espèce via une étude des fautes d’empilement dans les plans possibles de glissement et via la détermination de la structure de cœur de la dislocation vis dans son état fondamental. Cette structure est pilotée par une dissociation en deux partielles non équivalentes dans le plan pyramidal de première espèce. L’étude de l’évolution de la structure de cœur dans son état fondamental sous une contrainte appliquée met en évidence une contrainte de Peierls différente en fonction du sens de la contrainte et démontre un glissement difficile de la dislocation avec une contrainte de Peierls trente fois plus élevée que celle nécessaire pour le glissement de la dislocation . L’activation thermique est donc nécessaire pour permettre à la dislocation vis d’avancer. En température, un glissement par germination de double décrochements a été observé dans des simulations de dynamique moléculaire et a été décrit par une loi thermiquement activée. La dislocation alignée dans une direction présente, quant à elle, une structure non planaire, se dissociant dans son plan de glissement pyramidal, mais également dans un second plan. La nature de ce second plan de dissociation, basal ou prismatique, varie avec le modèle énergétique choisi.
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tel-03054391 , version 1 (11-12-2020)

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  • HAL Id : tel-03054391 , version 1

Cite

Thomas Soyez. Étude du glissement des dislocations dans le zirconium. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université Paris-Saclay, 2020. Français. ⟨NNT : 2020UPASP053⟩. ⟨tel-03054391⟩
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