Published February 8, 2008 | Version v1
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Investigation of the strengthening mechanisms under irradiation of ferrite by dislocation dynamics simulations

Description

To contribute to a better understanding and prediction of the behaviour of vessel steel of pressure water reactor under irradiation, a European project (FP7-IP PERFECT) which associates experimental characterization and multi-scale modeling has been operated. In this framework, the modeling of the plastic deformation of ferritic lathes, main constituent of these steels, has been done. At the non-irradiated state, the flow stress of the lathes depends on different microstructural elements: dislocation density, carbides distribution and alloy friction. The technique of Dislocation Dynamics (DD) appears to be the single quantitative tool allowing to explicitly account for the material microstructure and to estimate the effect of each element. After a detailed literature review, we have defined the stress associated to alloy friction inside ferritic lathes. The DD simulation of a tensile test shows that forest strengthening is the dominant mechanism of the flow stress. Latent hardening simulations allow a quantitative estimation of the interaction strength between slip systems. Besides, simulations including carbides inside lathes point out that these carbides affect mainly the density of dislocations stored during deformation. Finally, we have checked that a quadratic mixture law reproduces well the effect of the different strengthening mechanisms. The effect of cross slip has also been studied. Considering the experimental observations, cross slip is supposed to be easy in ferrite and depends only on the local stress state. DD simulations reveal the complex role played by this mechanism. On one side, the appearance of numerous cross slip segments leads to the pinning of primary dislocations, inducing an hardening. On the other side, at larger deformation, deviation of screw dislocations relaxes the microstructure stress concentrations, which is a recovering mechanism. At the irradiated state, for the sake of simplicity, voids are the only supplementary strengthening considered. Voids density and size are given by rate theory simulations. Starting from molecular dynamics results, a scale transition law enables the determination of activation energies needed to shear voids. Finally, a simple methodology is implemented in DD simulations. It takes into account the effect of the temperature and the deformation rate on the shear. The most recent simulations, starting from a realistic microstructure of voids, leads to a relative strengthening comparable to the ones observed during experiments. Thus, voids are probably the main source of strengthening induced by the irradiation in these steels

Abstract (French)

Afin de contribuer a une meilleure comprehension et prevision du comportement sous irradiation des aciers des cuves des reacteurs nucleaires a eau sous pression, un programme europeen (FP7-IP PERFECT) a ete mis en oeuvre associant caracterisations experimentales et modelisations multi-echelles. Dans ce cadre, la modelisation de la deformation plastique des lattes ferritiques, principal constituant de ces aciers, a ete entreprise. A l'etat non-irradie, la contrainte d'ecoulement -dans les lattes depend de plusieurs elements microstructuraux: densite de dislocations, distribution des carbures et friction d'alliage. La technique de simulation par Dynamique des Dislocations (DD) apparait comme le seul outil quantitatif permettant de prendre en compte explicitement la microstructure du materiau et d'evaluer l'effet de chaque composante. Apres une etude bibliographique approfondie, nous avons etabli la contrainte associee a la friction d'alliage dans les lattes ferritiques. La modelisation d'un essai de traction par DD montre que le durcissement de la foret est le mecanisme dominant l'ecoulement plastique. Des simulations de l'ecrouissage latent permettent aussi d'evaluer quantitativement les interactions entre systemes de glissement. De plus, les simulations incluant la presence de carbures intragranulaires montrent que ces derniers influencent surtout la densite de dislocations stockees en cours de deformation. Finalement, il a ete verifie qu'une loi de superposition quadratique reproduisait precisement l'influence des differents mecanismes de durcissement. L'effet du glissement devie a egalement ete etudie. Au vu des observations experimentales, ce mecanisme est suppose facile dans la ferrite et fonction uniquement de l'etat de contrainte locale. Les simulations de DD revelent un role complexe de ce mecanisme. D'une part, la presence de nombreux evenements de deviation conduit a l'ancrage systematique des dislocations mobiles, ce qui constitue un facteur d'ecrouissage. D'autre part, aux deformations plus fortes, la deviation de segments vis permet de relaxer certaines concentrations de contraintes dans les microstructures, ce qui represente un mecanisme d'adoucissement. A l'etat irradie, par souci de simplification, les seuls elements durcissants supplementaires pris en compte ont ete les cavites. Leur densite et leur distribution en taille sont issues de simulations de cinetique chimique. D'apres des resultats de dynamique moleculaire, une loi de transition d'echelle permet de determiner, les energies d'activation pour le cisaillement des cavites. Au final, une methodologie simple a ete implantee dans la simulation de DD. Celle-ci permet de rendre compte de l'effet de la temperature et de la vitesse de deformation sur le cisaillement. Les dernieres simulations montrent que la prise en compte d'une microstructure de cavites realiste conduit a un durcissement relatif comparable a l'experience. Les cavites sont alors probablement la source principale de durcissement induit lors de l'irradiation de ces aciers

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Original title (French)
Etude des mecanismes d'ecrouissage sous irradiation de la ferrite par simulations de dynamique de dislocations

Publishing Information

Imprint Pagination
224 p.
Report number
FRNC-TH--9720

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Notes
323 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS-NKM website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/; Also available from BUPMC 4 Place Jussieu, 75005 Paris (France)