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AbstractAbstract
[en] 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. (author)
[fr]
Les alliages de zirconium sont utilises dans l'industrie nucleaire pour la fabrication des assemblages combustibles (tube guides, gaines et grilles). Afin de correctement predire le comportement de ces alliages au cours de leur utilisation, il est necessaire de connaitre leur comportement mecanique. La deformation des metaux s'effectue generalement par glissement des dislocations et par maclage. Le zirconium presentant une structure hexagonale compacte, le developpement de la deformation plastique est anisotrope. Pour une sollicitation suivant la direction du cristal, le mode de deformation principal correspondant au glissement de dislocations de vecteur de Burgers ne permet pas d'accommoder la deformation et le glissement de dislocations a vecteur de Burgers ou le maclage doit s'activer. Cette these a pour but d'etudier les proprietes de ces dislocations en se basant sur deux approches complementaires, des observations en microscopie electronique a transmission (MET) et des simulations atomiques. Les observations MET ont permis de mettre en evidence le systeme de glissement des dislocations: ces dernieres ne glissent que dans des plans pyramidaux de premiere espece. Le glissement devie est frequemment observe entre plans pyramidaux de premiere espece. Les dislocations apparaissent rectilignes et orientees preferentiellement 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 ete observe et un glissement plus difficile de la dislocation dans son orientation a ete demontre. Deux types de glissement ont ete observes: un glissement rigide ou la dislocation avance en bloc dans son plan de glissement et un glissement visqueux des segments conduisant a la creation de macro decrochements. Les simulations atomiques ont permis d'expliquer le glissement dans le plan pyramidal de premiere espece via une etude des fautes d'empilement dans les plans possibles de glissement et via la determination de la structure de coeur de la dislocation vis dans son etat fondamental. Cette structure est pilotee par une dissociation en deux partielles non equivalentes dans le plan pyramidal de premiere espece. L'etude de l'evolution de la structure de coeur dans son etat fondamental sous une contrainte appliquee met en evidence une contrainte de Peierls differente en fonction du sens de la contrainte et demontre un glissement difficile de la dislocation avec une contrainte de Peierls trente fois plus elevee que celle necessaire pour le glissement de la dislocation. L'activation thermique est donc necessaire pour permettre a la dislocation vis d'avancer. En temperature, un glissement par germination de double decrochements a ete observe dans des simulations de dynamique moleculaire et a ete decrit par une loi thermiquement activee. La dislocation alignee dans une direction presente, quant a elle, une structure non planaire, se dissociant dans son plan de glissement pyramidal, mais egalement dans un second plan. La nature de ce second plan de dissociation, basal ou prismatique, varie avec le modele energetique choisi.Original Title
Etude du glissement des dislocations dans le zirconium
Primary Subject
Source
5 Nov 2020; 179 p; 103 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; Physique
Record Type
Report
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
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