Yang Li

Ce travail est une contribution à l’étude de la dégradation des propriétés mécaniques des matériaux métalliques irradiés, dans le contexte de la production d’énergie nucléaire. Cette thèse porte en particulier sur l’étude du comportement des dislocations dans les matériaux ferritiques irradiés, à l’aide de simulations de dynamique des dislocations (DD).L’évolution de la microstructure des défauts d’irradiation est tout d’abord analysée à l'aide d’un code nodal (code NUMODIS). Le Chapitre 2 traite en particulier de la diffusion et l’interaction de boucles prismatiques, en utilisant la dynamique des dislocations dite «stochastique». Ces calculs reproduisent les forces d’interaction élastiques boucle/boucle et les forces stochastiques associées aux fluctuations thermiques ambiantes. Il est ainsi montré que la réorientation des boucles (tilt) a un fort effet sur leur dynamique, en ce qui concerne notamment le taux d’évolution du confinement élastique boucle/boucle.L'effet du glissement dévié sur l’interaction entre dislocation/boucle est ensuite examiné au Chapitre 3. Cette étude fait appel à une configuration initiale spécifique, associée à un changement du plan de glissement d'une source de dislocation vis. De cette manière, il est montré que le glissement dévié réduit considérablement la résistance des défauts/obstacles. Cet effet confirme le rôle critique du glissement dévié durant la déformation plastique post-irradiation.La déformation plastique post-irradiation est étudiée à l’échelle du grain, au Chapitre 4, à l’aide de simulations DD à base de segments (code TRIDIS). Ces simulations traitent les mécanismes de glissement dévié et de glissement thermiquement activé (vis). Chaque condition d’irradiation simulée peut être caractérisée par un «décalage de la température apparente induite par des défauts d’irradiation» (ΔDIAT). Cette quantité est proportionnelle aux évolutions statistiques de la mobilité effective des dislocations. Le ΔDIAT calculé est pratiquement équivalent au décalage de la température de transition fragile à ductile (ΔDBTT) obtenu expérimentalement, pour une taille et densité de défauts d’irradiation donnée. Cette corrélation ΔDIAT/ΔDBTT peut être interprétée à partir de mécanismes de déformation plastique élémentaires, faisant appel à la théorie des dislocations.

We conducted in-situ micropillar compression tests on single-crystal zirconium over the temperature range 300 to 900K to directly characterize temperature-dependent stress–strain response and to evaluate the effects of oxygen ingress. Between 300 and 400K, deformation occurred by prismatic slip with minimal hardening, consistent with oxygen-free zirconium. Between 500 and 600K, wavy slip traces emerged, indicating the activation of cross-slip associated with oxygen uptake, accompanied by an increase in the critical resolved shear stress, and the appearance of strain hardening. Basal slip also became active. At temperatures of 700 and 800K, intermittent serrated flow was observed, signaling oxygen-induced dynamic strain aging, with larger serrations than those reported for bulk Zr–O alloys. At 900K, the growth of the oxide layer produced a α-Zr/ZrO2 composite micropillar, increasing both the flow stress and elastic modulus. Collectively, these results shed light on the mechanisms governing plastic deformation of zirconium in oxygen-rich environments.

The concentration of diffusible hydrogen in a material is of high importance as it helps to predict the hydrogen embrittlement effect in the material, and the amount of mechanical properties’ degradation after reaching a critical concentration. Despite that, a simple experimental setup is not available to measure hydrogen concentration at service. In this paper, a multi-layer perceptron (MLP) model is developed using weight initialization, which can estimate the diffusible hydrogen concentration of Face-Centred-Cubic (FCC) metals after electrochemical charging. The input properties of the model include the electrochemical charging parameters of current density, temperature, and charging time as well as the grain size of the specimen. The MLP model with and without the weight initialization was validated and tested with unseen test dataset. The model in both cases showed an excellent predictive performance with a higher accuracy and faster convergence when using weight initialization. A linear correlation of 89% between the experimental and predicted hydrogen concentration was observed. This demonstrates that for the family of FCC metals under electrochemical charging, the estimation of diffusible hydrogen concentration is a feasible path for material safety design analysis.