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Thèse Année : 2024

Characterization of the mechanical strength of ODS steel plug-clad joints obtained by pressure resistance welding

Caractérisation de la tenue mécanique des assemblages bouchon-gaine en acier ODS obtenus par soudage par résistance

Résumé

Oxide Dispersion-Strengthened (ODS) ferrito-martensitic alloys are among the candidate materials for the manufacture of fuel cladding parts for 4th generation nuclear reactors. The « plug-clad » assembly is carried out by the Pressure Resistance Welding (PRW) process; a solid phase welding process known to have a limited impact on the dispersion of nano-oxides in the welded zone compared with fusion welding processes. One of the aims of this work is to assess and understand the effects of PRW on the final mechanical strength of the 11Cr-ODS steel plug-clad assembly. An approach coupling microstructural and mechanical characterizations with numerical simulations (PRW process and mechanical tests) is adopted. The originality of this approach also lies in the development of two specific geometries for tensile samples, enabling the localization of stresses in the welded zone. Indeed, the severe thermomechanical loadings imposed on the material during the PWR process generate microstructural heterogeneities in the material with direct consequences on its mechanical resistance. Complex microstructures in terms of grain size, local texture, phases (ferrite, martensite, residual ferrite) and grain type (recrystallized or deformed) are obtained. The mechanical tests indicate that the mechanical resistance of the welded assembly is primarily associated with the internal zone of the joint plane, forming an angle of approximately 45° with respect to the axis of the clad. This area is submitted to significant plastic deformation, presents the highest hardness values, and exhibits a more pronounced refinement of the microstructure. A second objective is the evaluation of the effects of a post-welding heat treatment on the microstructural properties of the weld and on the mechanical strength of the welded assembly. Its effect is significant if it is carried out above the phase transformation temperature, Ac3, while it is limited if below Ac3. During tensile tests at room temperature, the fracture zone is moved from the welded area to the as-received metal when the assembly has undergone adequate heat treatments.
Les aciers ODS (Oxide Dispersion Strengthened) ferrito-martensitiques, font partie des matériaux candidats à la fabrication des pièces pour le gainage de combustible des réacteurs nucléaires de 4ième génération. L’assemblage type « bouchon-gaine » se fait par le procédé de soudage par résistance (SPR) en bout ; procédé de soudage en phase solide, connu pour avoir un impact limité sur la dispersion des nano-oxydes dans la zone soudée par rapport aux procédés de soudage par fusion. Un des objectifs de ces travaux est d’évaluer et de comprendre les effets du SPR sur la résistance mécanique finale de l’assemblage « bouchon-gaine » en acier 11Cr-ODS. Une approche couplant caractérisations microstructurales et mécaniques avec des simulations numériques (du procédé de SPR et des essais mécaniques) est adoptée. L’originalité de cette approche réside aussi dans le développement de deux géométries spécifiques d’éprouvettes de traction, permettant de localiser les sollicitations dans la zone soudée. En effet, les sollicitations thermomécaniques sévères induites par le SPR génèrent des hétérogénéités microstructurales au matériau avec des conséquences directes sur la résistance mécanique. Des microstructures complexes en termes de taille de grain, de texture locale, de phases en présence (ferrite, martensite, ferrite résiduelle) et de type de grain (recristallisé ou déformé) sont obtenues. Les essais mécaniques réalisés ont mis en évidence que la résistance mécanique de l’assemblage soudé peut être principalement associée à la zone interne du plan de joint, formant un angle d’environ 45° par rapport à l’axe de la gaine. Cette zone subit une déformation plastique significative, présente les valeurs de dureté les plus élevées et affiche un affinement plus prononcé de la microstructure. Un second objectif est l’évaluation des effets d’un traitement thermique post-soudage sur les propriétés microstructurales de la soudure et sur la résistance mécanique de l’assemblage soudé. Son effet est significatif s’il est réalisé au-dessus de la température de transformation de phase Ac3, tandis qu’il est limité, s’il est effectué en dessous d’Ac3. Lors d’essais de traction à température ambiante, la zone de rupture est déplacée de la zone soudée vers le métal à l’état de réception lorsque l’assemblage a subi un traitement thermique post-soudage adéquat.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04565787 , version 1 (02-05-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04565787 , version 1

Citer

Mohamed Mabrouki. Caractérisation de la tenue mécanique des assemblages bouchon-gaine en acier ODS obtenus par soudage par résistance. Matériaux. Université de Bordeaux, 2024. Français. ⟨NNT : 2024BORD0044⟩. ⟨tel-04565787⟩
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