SiC/SiC composite tubes are studied as materials for nuclear fuel cladding. A thorough understanding on the mechanisms of damage to this material requires both an experimental and a numerical study. In situ tensile tests were performed under X-ray tomography at the SOLEIL synchrotron. Post processing methods have been developed to analyze the microstructure, measure the deformation and characterize qualitatively and quantitatively the damage mechanisms inside the material. The tomographic images provide 3D descriptions on the microstructure, which are direct input data for the numerical simulation based on FFT. The use of real microstructures makes it possible to combine the simulation results directly with the experimental observations.
Introduction Une solution de gainage innovante est actuellement développée au CEA/DMN pour le gainage du combustible des réacteurs de quatrième génération (Génération IV) comme le GFR, Gaz Fast Reactor. La solution proposée est un tube sandwich constitué d'une couche interne de composite SiC/SiC (enroulement filamentaire), d'un liner métallique permettant d'assurer l'étanchéité du gainage, et de deux couches externes de composites SiC/SiC (tressage 2D). Le comportement mécanique de ces tubes est déterminé par les couches de composites, qui sont anisotropes, faiblement déformables (~1%) et dont le comportement macroscopique dépend fortement du choix des architectures fibreuses. Les matériaux étudiés dans cette étude sont des tubes de composites élaborés à partir d'un tressage 2D. Un des paramètres importants de ce type d'architectures fibreuses, est l'angle de tressage, qui influence à la fois la limite d'élasticité et la résistance à la rupture.
Les mécanismes de déformation de ces composites SiC/SiC sont essentiellement associés au développement de la microfissuration au sein du matériau. Des travaux de caractérisation de ces mécanismes ont été effectués par observations surfaciques [1] en utilisant la corrélation d’image numérique. En revanche, la description volumique de ces mécanismes, complémentaire des observations de surface, demeure une question ouverte. L’objectif du travail actuel est donc de mettre en place une caractérisation 3D de l’endommagement se développant dans le volume du matériau. Dans ce but, on utilise la tomographie en rayon X comme l’outil essentiel de l’approche expérimentale, et la simulation numérique par la méthode FFT comme un outil complémentaire permettant d’analyser ces résultats expérimentaux. Les outils mis en place sont utilisés pour trois angles de tressage différents afin d’examiner les effets de l’angle de tressage sur les mécanismes d’endommagement.
Essais de traction in situ sous tomographie X (ii). Les composantes de déformation moyennes sur des couronnes concentriques sont mesurées à l’aide d’un modèle cinématique optimisé sur les champs de déplacement mesurés par corrélation d’images numériques (DVC). Leurs évolutions sur l’épaisseur du tube sont données ci-dessous (Fig. 2). (iii). En utilisant une technique de soustraction d’images par DVC [2], les fissures 3D induites par le chargement de traction sont extraites de la microstructure hétérogène pour chaque niveau de chargement. Ils peuvent être classés en deux familles selon leurs orientations locales: les fissures circonférentielles, perpendiculaires à la direction de traction et les fissures dans le plan, qui s’ouvrent dans l’épaisseur du tube (voir Fig. 3). L’évolution avec le chargement des fissures détectées est d’abord étudiée qualitativement par une visualisation directe en 3D des fissures détectées au sein de la microstructure. Les ouvertures moyennes sont mesurées séparément pour les deux familles de fissures (Fig. 4.b et c). Deux changement de pentes sont présents sur l’évolution des fissures circonférentielles, alors que les fissures dans le plan s’ouvrent de plus en plus vite jusqu’à la rupture. Ces ouvertures moyennes sont des données expérimentales inédites susceptibles d’alimenter directement les modèles à base micromécanique. Leurs évolutions sont comparées à celle des déformations moyennes (macroscopiques). Cette superposition est en accord avec l’idée selon laquelle l’ouverture des fissures circonférentielles serait majoritairement responsable de la déformation axiale et laisse penser que l’ouverture des fissures dans le plan serait à l’origine de la déformation radiale positive mesurée.
Les post-traitements sont implémentés dans un code MatLab, qui permet d’automatiser les dépouillements des images tomographiques du même type. Les tubes élaborés avec trois angles de tressage différents sont étudiés en utilisant les procédures présentées ci-dessus sur un tube avec un tressage à 45°. La visualisation 3D combinée, des mécanismes d’endommagement et la microstructure complexe, envisagée pour établir les liens entre la position des fissures et la microstructure s’est avérée beaucoup trop délicate à interpréter. Ainsi, une procédure de déroulement a été mise en place, qui permet de transformer les informations (fissures et microstructure) du repère cylindrique au repère cartésien. Sur cette configuration déroulée, des projections sont effectuées au sein de chaque souscouche (voir Fig. 1) permettant ainsi de positionner les fissures par rapport à la microstructure au sein de chaque sous-couche (Fig. 5 et 6).
Afin d’étudier l’initiation de fissures, on superpose les fissures détectées à la première étape de chargement à la microstructure de tressage pour chaque tube (Fig. 5). Les fissures sont mises en évidence par des barres colorées selon leurs tailles : petites fissures en vert, grandes fissures en jaune. En regardant les positions des petites fissures (vertes), il semblerait que les fissures
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