The thesis deals with the high-temperature embrittlement of 14%Cr ODS ferritic steel in liquid lead environment. The 14%Cr ferritic ODS steel ODM401 manufactured by powder metallurgy technology was used as an experimental material. The effect of the long-term annealing, surface corrosion attack in the melt Pb and Pb-Bi on the microstructure and mechanical properties was described. The subsequent microstructural changes were evaluated by means of scanning electron microscopy and transmission electron microscopy The mechanical behaviour of the experimental material was proven by means of microhardness test, impact test and static tensile test. The fractographical evaluation of fracture surfaces were performed on all samples. The surface attack and outstanding microstructural ganges were found after the long-time exposition of the steel in Pb/Pb-Bi melts at temperature 550°C/1000h and 500°C/1000h respectively. The embrittlement of the steel after exposition in Pb/Pb-Bi melts was comparable to the embrittlement after high-temperature annealing of the steel at temperature 650°C/1000h.

In this project, we have successfully joined MA956 Oxide Dispersion-Strengthened (ODS) steel plates using Friction Stir Welding (FSW). ODS steels are prime candidate materials for the fuel cladding in Generation IV nuclear fission reactors and as first wall components in nuclear fusion reactors. This is due to their exhibiting excellent high temperature strength and creep behaviour, together with enhanced resistance to radiationinduced void swelling. ODS steels are heavily reliant on a fine dispersion of (Y-Al-O) nanooxide particles to provide the aforementioned properties. This, however, makes ODS steels particularly problematic to join. Most joining techniques melt the material along the joint line, but this would severely alter or deplete the nano-oxide dispersion and hence be highly detrimental to the material’s performance in a nuclear environment. FSW is a solid-state joining technique, and therefore can join ODS steel without melting the material. Although FSW can potentially alter the microstructure of the base material and affect the distribution of nano-oxide particles, if a sufficient number of nano-sized particles and a sufficiently homogeneous dispersion remain after the welding process, then a major roadblock for the implementation of ODS steels will have been removed. The research of this thesis focused on the impact of FSW on: i) the microstructure, ii) the mechanical properties, iii) the residual stresses, and iv) the abnormal grain growth behaviour of ODS steels; utilizing a wide array of techniques to assess the micro-to-nano scale structure and the properties of the base material and welds, including optical, scanning and transmission and electron microscopy, X-ray and neutron diffraction, small-angle neutron scattering, tensile testing and micro-hardness measurements. We also produced welds with systematic changes to the tool traverse speed and rotation speed to investigate the impact of changing the welding parameters on the weld microstructure, and therefore optimise the process parameters for enhanced radiation and mechanical performance of the ODS steel welds.

Ce travail de thèse s'est focalisé sur l'étude des alliages Fe-14%Cr nanorenforcés par dispersion d'oxydes obtenus par broyage à haute énergie à partir de poudres pré-alliées de la matrice et d'Y2O3. L'objectif était double : (i) étudier la cinétique de précipitation, en particulier la phase de coalescence, des oxydes en fonction de la teneur en élément d'addition (Ti, Y, O) lors de traitements thermiques à haute température et postérieurs à l'étape de consolidation, et (ii) d'analyser les hétérogénéités de déformations élastiques et élastoplastiques dans ces aciers en fonction de l'avancement de la précipitation. La microstructure et la nanostructure ont été étudiées par microscopie électronique en transmission (MET) et diffusion de neutrons aux petits angles (DNPA). L'ensemble de ces techniques a permis de mettre en évidence des comportements différents selon les teneurs en éléments d'addition. En particulier, l'ajout de titane induit un ralentissement très net de la coalescence des particules contrairement aux ajouts d'oxygène et d'yttrium. Ces variations de teneurs initiales influent sur la forme, la structure cristallographique des particules, sur les relations d'orientations avec la matrice et en voie de conséquence, sur les cinétiques de précipitation. Par conséquent, assurer un rapport Ti /Y supérieur à 1 et limiter l'apport en oxygène sont des garants de la stabilité des nanoparticules à hautes températures dans les aciers ODS. Le phénomène de recristallisation a également été observé à haute température dans les matériaux dans lesquels la coalescence des oxydes est largement avancée. Afin de corréler l'évolution des microstructures avec celle des propriétés mécaniques, une modélisation macroscopique du durcissement a ensuite été réalisée, en distinguant les différentes contributions (nanoparticules, taille de grains et dislocations). Le durcissement calculé à partir des observations expérimentales est en très bon accord avec les valeurs mesurées. Ces calculs rendent bien compte des variations entre alliages et mettent en évidence l'influence prépondérante de la taille des particules sur la dureté des matériaux. Enfin une étude fine des hétérogénéités de déformation des grains en fonction de leur orientation cristallographique a été menée par diffraction de neutrons. Ces résultats ont été confrontés à un calcul micromécanique en champ moyen. Cette dernière partie a montré l'existence de comportements locaux différents dans des matériaux présentant des comportements macroscopiques similaires.

Le renforcement par dispersion d'oxydes nanométriques permet, d'une manière générale, d'améliorer la résistance mécanique des matériaux métalliques. Il autorise donc une augmentation de leur température maximale d'utilisation. De nombreux travaux de recherche sont menés au Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives sur les aciers ODS, pour Oxide Dispersion Strengthened steels. S'inscrivant dans le cadre du développement du nucléaire civil de quatrième génération, ces travaux ont pour but de qualifier un matériau pouvant être utilisé en tant que matériau de gainage combustible à une température de 650℃. Ce travail de thèse a pour objectif d'améliorer la compréhension des propriétés mécaniques des aciers ODS, en cherchant d'une part à caractériser et à modéliser leur comportement en fluage, et d'autre part à caractériser leur nisotropie de comportement et à en identifier l'origine. Pour cela, de nombreux essais mécaniques ont été effectués entre 20℃ et 900℃ sur une nuance d'acier ODS ferritique de composition nominale Fe-14Cr1W0,26Ti + 0,3Y2O3 . Cette nuance a été élaborée au CEA, par mécanosynthèse puis extrusion à chaud, sous la forme d'une barre ronde. Les résultats obtenus démontrent la grande résistance mécanique à haute température de l'acier ODS étudié. Ils mettent également en évidence une forte dépendance de la ductilité et de la résistance du matériau vis-à-vis de la vitesse de sollicitation. Sur la base des différentes caractérisations expérimentales réalisées, un modèle de comportement macroscopique uniaxial a été développé. S'appuyant sur la description de trois écrouissages cinématiques et d'un terme de restauration statique, ce modèle démontre une capacité remarquable à reproduire le comportement mécanique du matériau en traction, en fatigue, en fluage et en relaxation. Par ailleurs, la caractérisation de l'anisotropie mécanique de la nuance d'acier ODS étudiée s'avère dépendre de la température. Deux modélisations polycristallines différentes ont été mises en place afin de reproduire cette anisotropie de comportement à partir des textures cristallographique et morphologique du matériau. Le désaccord observé entre les prévisions de ces modèles et les résultats expérimentaux conduit à formuler d'autres hypothèses sur la déformation des aciers ODS.

Die vorgestellte Arbeit verfolgte das Ziel, einen dispersionsverfestigten nanokristallinen Kupferwerkstoff mit einer guten Kombination von hoher Raumtemperaturfestigkeit und mit relativ guter Kriechfestigkeit zu entwickeln und eine Werkstoffmodellierung des mechanischen Verhaltens auf mikrostruktureller Basis vorzunehmen. Es wurde gezeigt, dass die durch das mechanische Legieren zerkleinerten Oxide (ca. 50 nm) homogen in der Kupfermatrix eingelagert werden können. Das Matrixgefüge der durch Warmpressen hergestellten ODS-Legierungen mit 3 vol.% an verschiedenen Oxidzusätzen ist durch eine Kupferkorngröße kleiner 200 nm gekennzeichnet. Die Festigkeitsbeiträge bei Raumtemperatur werden quantitativ abgeschätzt und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Die Ergebnisse der Kriechverformung zeigen, dass die Dispersoide nicht nur für die Behinderung des Versetzungskriechens, sondern auch für die Behinderung des Diffusionskriechens zu berücksichtigen sind.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第19093号 / エネ博第317号 / 新制||エネ||64 / 32044 / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー変換科学専攻 / (主査)教授 木村 晃彦, 教授 星出 敏彦, 教授 今谷 勝次 / 学位規則第4条第1項該当

Les aciers ODS (Oxide Dispersion Strengthened) sont envisagés comme matériau de gainage du combustible pour les futurs réacteurs nucléaires au sodium de Génération IV. Ces matériaux présentent une excellente résistance au fluage à haute température et au gonflement sous irradiation, mais des interrogations subsistent quant à leur propriété de résilience. L'objectif de ce travail de thèse est alors de comprendre l'effet de différents paramètres (composition chimique, texture, vieillissement thermique...) sur le comportement à l'impact des aciers ODS et sur l'apparition de la rupture de type fragile. L'objectif à terme est d'appréhender l'apparition de ce type de rupture afin d'assurer l'intégrité des composants en acier ODS en conditions normales ou incidentelles.Dans un premier temps, cette étude a permis d'évaluer la stabilité de deux nuances d'acier ODS contenant 14%Cr et 18%Cr dans des conditions de vieillissement thermique. La nuance à 18%Cr a été écartée à cause de la formation d'une phase intermétallique fragilisante de type sigma à 600°C. Par contre, la nuance à 14%Cr est plus prometteuse puisque son comportement est resté stable entre 400°C et 600°C pour une durée de vieillissement maximale de 10000 heures, et ce même si des précipités de phases alpha', de Laves Fe2W et des carbures de chrome ont été observés. D'autre part, la texture morphologique, caractérisée par des grains allongés selon la direction de filage, est propice à la propagation de fissures intergranulaires selon cette direction. La texture cristallographique régit, quant-à elle, les micromécanismes de clivage. En effet, les entités microstructurales qui contrôlent la propagation du clivage sont des groupes de grains faiblement désorientés les uns des autres d'un point de vue cristallographique, et qui sont associés à la notion de grains effectifs. Enfin, le comportement en traction et en flexion d'une nuance d'acier ODS à 14%Cr a été modélisé, et un critère de rupture fragile basé sur une valeur de contrainte critique a été proposé. Ce modèle nous a alors permis de simuler des essais sur différentes géométries et de prédire l'apparition de la rupture fragile sur cette nuance.

Oxide dispersion strengthened (ODS) alloys have been developed with unique mechanical properties. However, in order to achieve commercial application an appropriate joining process is necessary which minimizes disruption to the alloy microstructure. Transient liquid phase (TLP) bonding is a promising joining method, but previous work has shown that the segregation of dispersoids within the joint region results in bonds with poor mechanical strengths. This research work was undertaken to further explore particulate segregation at the joint region when TLP bonding and to develop bonding techniques to prevent it. A Ni-Cr-Fe-Si-B interlayer was used to bond an alloy MA 758. The effects of parent alloy grain size, bonding temperature, and external pressure on the TLP bonding process were investigated. Three melting stages were identified for the interlayer, and the bonding temperature was chosen so that the interlayer was in the semi-solid state during bonding. This novel bonding mechanism is described and applied to counteract the segregation of Y203 dispersoids. The grain size of the parent alloy does not alter the particulate segregation behaviour. It is concluded that a low bonding temperature with moderate pressure applied during bonding is preferable for producing bonds with less disruption to the microstructures of the parent alloy. Joint shear tests revealed that a near parent alloy strength can be achieved. This study also shed some light on choosing the right bonding parameters suitable for joining the complicated alloy systems. A Ni-P interlayer was also used to bond the ODS alloy. Microstructural examination indicated that a thin joint width and less disruption to the parent grain structure were achieved when bonding the alloy in the fine grain state. The time for isothermal solidification was found to be shorter when compared with bonds made with the parent alloy in the recrystallized state. All these observations were attributed to the greater diffusivity of P along the grain boundaries than that of the bulk material. A high Cr content within the parent alloy changes the mechanism of the bonding process. The diffusion of Cr into the liquid interlayer has the effect of raising the solidus temperature, which not only accelerates the isothermal solidification process, but also reduces the extent of parent alloy dissolution.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007