Soutenance de thèse de Hakima BOUIZEM
Ecole Doctorale
SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
Spécialité
Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique des Solides
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Dislocations Géométriquement Nécessaires (GNDs),Plasticité cristalline,Mécanique des Champs de Dislocations,La transformation de Fourier rapide (FFT),Homogénéisation,Dioxyde duranium
Keywords
Geometrically necessary dislocations (GNDs),Crystal plasticity,Field Dislocations Mechanics,Fast Fourier transform,Homogenization,Uranium dioxide
Titre de thèse
Construction dun modèle de Mécanique des Champs de Dislocations appliqué au comportement viscoplastique des polycristaux de dioxyde duranium
Construction of a Field Dislocation Mechanics model applied to the viscoplastic behavior of uranium dioxide polycrystals
Date
Jeudi 16 février 2023
à 13:30
Adresse
CEA Cadarache
13108 Saint-Paul-lez-Durance
Salle P. Brossard
Jury
Directeur de these | M. Jean-Marie GATT | Aix Marseille Université |
Rapporteur | M. Marc FIVEL | SIMAP Grenoble INP |
Rapporteur | M. Samuel FOREST | Mines Paris CNRS |
CoDirecteur de these | M. Frédéric LEBON | Aix Marseille Université |
Examinateur | M. Étienne CASTELIER | CEA Cadarache |
Examinateur | M. Vincent TAUPIN | LEM3, CNRS |
Examinateur | Mme Nabila MALOUFI | LEM3, CNRS |
Examinateur | Mme Salima BOUVIER | UTC Compiegne |
Résumé de la thèse
Dans un Réacteur nucléaire à Eau Pressurisée (REP), le combustible est constitué de dioxyde
duranium (UO2 ) polycristallin sous forme de pastilles. À haute température, les déformations
viscoplastiques de lUO2 polycristallin sont gouvernées par le mouvement des dislocations.
Des mécanismes de sous-structuration de dislocations interviennent. Les dislocations forment
des murs de faible désorientation cristalline, qui divisent parfois les grains en sous-grains. Ce
phénomène est associé à la présence de Dislocations Géométriquement Nécessaires (GNDs), qui
accommodent la courbure du réseau cristallin induite par la déformation à léchelle du grain.
Les théories classiques de plasticité cristalline ne permettent pas détudier les effets déchelle
associés à la présence de GNDs. Pour cela, un modèle de plasticité basé sur la théorie de la
Mécanique des Champs de Dislocations a été construit. Les GNDs sont introduites à travers
le tenseur de Nye. Le modèle proposé offre une nouvelle approche découlement plastique des
GNDs, par projection du tenseur de Nye sur les systèmes de glissement. La formulation a été
étendue pour modéliser la déformation par montée de dislocations. Ce mécanisme piloté par le
phénomène de diffusion est fortement activé à température élevée.
La prise en compte des GNDs dans le comportement mécanique de lUO2 doit intégrer les
incompatibilités de déformations entre les différents grains, et nécessite un calcul mécanique
sur un polycristal, donc un changement déchelle. À cette fin, le comportement mécanique de
chaque grain dUO2 doit déjà être identifié à partir des essais sur des monocristaux. Le modèle monocristallin proposé est viscoplastique : les déformations proviennent du glissement de
dislocations sur deux familles de systèmes de glissement. Des équations différentielles assurent
lévolution des populations de dislocations de chaque système. De lécrouissage est induit par
les interactions entre dislocations.
Le calcul mécanique et la formation des GNDs sont résolues par transformée de Fourier rapide
(FFT). Les lois de comportement étudiées ont été intégrées avec le logiciel MFront. Les modèles
proposés sont utilisés pour simuler des essais de compression à vitesse imposée dun polycristal
dUO2, au cours desquels on observe laccumulation de GNDs sur les joints de grains, leur
glissement dans les grains et la formation de sous-grains. Les résultats du modèle montrent,
qualitativement, un bon accord avec la sous-structuration de dislocations observée
expérimentalement. Le modèle prédit bien le comportement moyen des polycristaux, ainsi que linfluence de différents paramètres, notamment la vitesse de déformation et la température.
Thesis resume
Polycrystalline uranium dioxide (UO 2 ) is commonly used as nuclear fuel, in Pressurized Water Reactors (PWRs), in the form of cylindrical pellets. At high-temperature, the viscoplastic
behaviour of UO2 is governed by the dislocation flow. During deformation, substructuring mechanisms are involved whereby dislocations are arranged in sub-boundaries, subdividing the
grains into sub-grains. The formed sub-boundaries are associated with the presence of Geometrically Necessary Dislocations (GNDs). Such dislocations induce a lattice curvature in order to
accommodate local deformation produced among grains and rearrange in dislocation walls.
Classical crystal plasticity models are insufficient to handle the scaling effects related to the
GNDs presence. So, a plasticity model based on Field Dislocation Mechanics theory is built.
GNDs are introduced through the Nye tensor. The proposed model provides a new plastic
flow approach for GNDs, using projection of the Nye tensor on slip systems. The formulation
has been extended to include dislocation climb deformation. This mechanism driven by the
diffusion phenomenon is strongly activated at high temperatures.
Considering GNDs in the mechanical behaviour of UO 2 must integrate the deformation incompatibilities between the different grains, and requires a mechanical calculation on a polycrystal,
hence a scale change. For this, a viscoplastic behaviour model of UO 2 single crystal is identified
from mechanical tests. The evolution of dislocation populations of each system is carried out
through differential equations. Work hardening is induced by interactions between dislocations.
Crystal plasticity model has been developed using MFront. Mechanical equilibrium and formation of GNDs are solved by Fast Fourier Transform (FFT), using TMFFT solver, which is
connected to MFront. Then, the proposed models are used to simulate imposed speed compression tests of a polycrystal of UO2. The test shows: the accumulation of GNDs at the grain
boundaries, glide within the grains, and the formation of sub-grains. Results predicted by the
model demonstrate, qualitatively, a good agreement with the experimentally observed sub-
structuring of dislocations. The model predicts well the average behaviour of polycrystals, as
well as the influence of different parameters, including strain rate and temperature.