Modified 9Cr-1Mo ferritic-martensitic steel (T91) has been extensively investigated as a structural material for GenIV nuclear reactors and Accelerator Driven Transmutation systems. One attractive characteristic of this steel in these applications is its superior radiation damage tolerance in comparison to typical austenitic stainless steels such as 316L. In some GenIV applications, it also has a significantly higher corrosion resistance. Further improvement of both is necessary if GenIV designs are to become commercially viable. Other work has shown an improvement in radiation damage tolerance via cold rolling or sputtering nanoscale multilayered films. Additionally, corrosion resistance can be improved by homogenizing the microstructure. Further, these changes can improve the strength of the material. However, there has been no fabrication of bulk ultra fine grain ferritic-martensitic steel candidates that might offer these avenues of improvement. This work demonstrates the refinement and homogenization of T91 by Equal Channel Angular Extrusion (ECAE) and heat treatment. Processing temperature and strain level were varied to produce multiple levels of refinement. Materials were characterized by microhardness, tensile testing, x-ray diffraction and transmission electron microscopy. An ultra-fine, highly misoriented and homogeneous microstructure was achieved in the material. Refinement was demonstrated both in ferritic and ferritic-martensitic compositions of the steel. Microhardness increased by as much as 70% and ultimate tensile strength by 80%. More significantly, tensile strength was improved by 40% without decreasing ductility.

Le sujet de thèse vise à approfondir les connaissances actuelles sur les interactions métal solide / métal liquide et plus particulièrement à étudier le comportement en fatigue de l'acier martensitique T91 dans un environnement de plomb-bismuth liquide. Ce sujet s'inscrit dans le cadre du projet MEGAPIE (MEGAwatt PIlot Experiment) qui veut démontrer la faisabilité d'une cible de spallation en plomb-bismuth liquide.<br />Nous avons développé un dispositif expérimental qui a permis la réalisation d'essais de fatigue oligocyclique et de fatigue propagation à 300°C dans l'eutectique plomb-bismuth (Pb 45%masse, Bi 55%masse). Ce milieu contribue à diminuer la durée de vie en fatigue oligocyclique de l'acier T91 et augmenter la vitesse de fissuration. La présence de l'eutectique Pb-Bi modifie les mécanismes de germination-croissance des fissures courtes , notamment en supprimant l'efficacité des barrières microstructurales. Un changement du mode de fissuration a également été observé lors des essais de fatigue propagation lorsqu'il y a mouillage du front de fissure par le métal liquide. Nous pensons que le métal liquide modifie l'activité du fond de fissure en localisant la déformation plastique.<br />Toutefois, l'effet néfaste du métal liquide sur le comportement en fatigue du matériau s'atténue pour des niveaux de déformations faible et nous montrons également qu'une pré-oxydation de la surface du matériau semble une voie à explorer pour l'amélioration de la tenue en fatigue dans un métal liquide.

Du fait de leurs bonnes propriétés physiques et thermiques et de leur faible coût, les aciers ferrito-martensitiques à 9%Cr sont envisagés comme matériaux de circuits et comme tubes des échangeurs et des générateurs de vapeur pour le prototype de Réacteur Rapide au sodium (RNR-Na) ASTRID. Plusieurs mécanismes existent dans la littérature pour expliquer la formation de la couche d’oxyde duplexe spinelle Fe-Cr/magnétite formée lors de l’oxydation des aciers Fe-9Cr dans différents environnements. Par ailleurs, un endommagement partiel ou total de la couche d’oxyde apparait systématiquement en environnement eau ou vapeur d’eau. Aussi, afin d’apporter des éléments pour une évaluation robuste de ces alliages sur de longues durées, ce travail a eu pour but d’une part d’étudier les cinétiques d’oxydation et d’autre part de comprendre l’ensemble des mécanismes conduisant à l’écaillage de la couche d’oxyde. La première partie de l’étude a consisté à mener des essais d’oxydation à 550°C en milieu vapeur d’eau pure et sous Ar/D2O/H2, avec différentes teneurs en hydrogène et vapeur d’eau. Une simulation, basée sur une résolution analytique, a permis de montrer que le modèle de l’espace disponible proposé dans la littérature pour la croissance de la couche duplexe permet de représenter quantitativement les résultats expérimentaux (cinétique, stœchiométrie, proportion des phases). Le deuxième volet de cette étude a été consacré à l’étude de l’endommagement de la couche d’oxyde lors de sa croissance en milieu vapeur d’eau pure. La rupture de la couche d’oxyde par cloquage puis écaillage a systématiquement lieu au sein de la couche de magnétite. Les pores observés au sein de cette couche apparaissent être des sites d’initiation du phénomène de décohésion. Un modèle en cohérence avec le modèle cinétique a été proposé pour anticiper le lieu de formation des pores. Il repose sur le calcul du flux de fer au sein de la couche d’oxyde en croissance. Il permet d’expliquer quantitativement le lieu de formation des pores par l’accumulation de lacunes de fer au sein de la couche de magnétite dans une zone de plus fort gradient de potentiel chimique. Pour évaluer les contraintes présentes au sein de la couche d’oxyde et impliquées dans l’endommagement de celle-ci, des essais de déflexion d’une lame mince asymétrique ont été réalisés sous différents environnements oxydants à 550°C. Les essais réalisés en milieu humide sous Ar/H2O/(H2) et sous CO2 ont mis en évidence la présence de contraintes de croissance en compression de l’ordre de -150 MPa au sein de la couche d’oxyde lors de l’isotherme. Par ailleurs, la présence d’hydrogène dans le milieu oxydant apparait favoriser la fragilisation de la couche d’oxyde. Une approche numérique a été développée pour simuler les essais de déflexion, en prenant en compte les phénomènes de relaxation par fluage et le caractère multi-strates de la couche d’oxyde. Les principales formes de relaxation des contraintes, viscoplasticité de la couche, signes d’endommagement macroscopique (fissurations), ont ainsi été quantifiées. / In the framework of the development of Generation IV reactors and specifically in the new Sodium Fast Reactor (SFR) project, Fe-9Cr ferritic-martensitic steels are candidates as structural materials for steam generators. Indeed, Fe-9Cr steels are already widely used in high temperature steam environments – like boilers and steam turbines- for their combination of creep strength and high thermal properties. Many studies have been focused on Fe-9Cr steels oxidation behavior between 550°C-700°C.Depending on the oxidizing environment, formation of a triplex (Fe-Cr spinel/magnetite/hematite) or duplex (Fe-Cr spinel/magnetite) oxide scales are reported.. Besides, for long time exposure in steam, the exfoliation of oxide scales can cause serious problems such as tube obstruction and steam turbine erosion. Consequently, this work has been dedicated to study, on the one hand the oxidation kinetics of T91 steel in water vapor environments, and on the other hand, the mechanisms leading to the spallation of the oxide scale. Oxidation tests have been carried out at 550°C in pure water vapor and in Ar/D2O/H2 environments with different hydrogen contents. Based on an analytical resolution, a quantitative modeling has shown that the “available space model” proposed in the literature for duplex oxide scale formation well reproduces both scales growth kinetics and spinel oxide stoichiometry. Then, oxidized samples have been precisely characterized and it turns out that buckling then spalling of the oxide scale is always located in the magnetite layer. Voids observed in the magnetite layer are major initiation sites of decohesion of the outer oxide scale. A mechanism of formation of these voids has been proposed, in accordance with the mechanism of duplex scale formation. The derived model based on the assumption that vacancies accumulate where the iron vacancies flux divergence is maximal gives a good estimation of the location of pores inside the magnetite layer. Then, in order to evaluate stresses involved in the spallation of the oxide scale, deflection tests have been performed in different oxidizing environments at 550°C. Tests carried out in Ar/H2O/(H2) and in CO2 have highlighted the presence of compressive growth strains (around -150 MPa) during isothermal oxidation. Moreover, hydrogen seems to promote the oxide scale embrittlement. A numerical approach has also been developed in order to simulate the deflection test experiment, taking into account different relaxation phenomenon and considering a triplex oxide scale. Hence, stress relaxation by oxide scale viscoplasticity and microfissuration have been quantified.

Le présent travail de recherche s’inscrit dans un projet global, dont le but est de comprendre et résoudre un problème de corrosion d’un acier dit T91 par un mélange métallique liquide de plomb et bismuth. Il présente un intérêt pour la communauté nucléaire qui envisage de développer une nouvelle génération de réacteurs dits ADS. Ce travail est une contribution à l’étude thermodynamique d’un système plus complexe composé de plusieurs éléments : Al, Bi, Pb, Fe, Cr et l’oxygène. Plus précisément, il a été focalisé sur les systèmes à base de mélanges d’oxydes Bi2O3 + PbO + Al2O3 et Bi2O3 + PbO + Fe2O3. Un travail expérimental a été accompli, au cours duquel ces mélanges à différentes proportions ont été recuits à une température supérieure à 600 °C pendant plusieurs jours, suivi de l’analyse des échantillons par des techniques de pointe. Il a permis de découvrir les différents produits formés dans les différentes conditions de température, de compositions et atmosphères. Les résultats ont permis de faire aussi une modélisation à l’aide d’un outil informatique. Tout cela aide à mieux comprendre et anticiper la formation des produits de corrosion de l’acier par le mélange métallique liquide / This research work takes part in a global project whose aim is to understand and solve a corrosion problem of a steel called T91 caused by a liquid mixture of lead-bismuth. It presents a great interest for the nuclear community who aims to develop a new generation of reactors called ADS. This study is a contribution to the thermodynamic study of a complex system involving several elements such as Al, Bi, Pb, Fe, Cr and oxygen. More precisely, it was focused on mixtures of the following oxides Bi2O3 + PbO + Al2O3 and Bi2O3 + PbO + Fe2O3. A long experimental work had been accomplished, in which mixtures of different proportions of these oxides were prepared and heated above 600 °C for several days, followed by samples analyses by use of accurate and advanced techniques. It allowed discovering the different products formed within the different experimental conditions. The results have been modeled using a computer tool. All this allowed a better understanding and anticipating the corrosion products formation of the T91 steel by the metallic liquid

L'objectif de cette étude est d'aboutir à une meilleure compréhension de la fragilisation par les métaux liquides (FML) à travers l'étude des systèmes T91/Pb-Bi et 316L/Pb-Bi et notamment d'en établir les mécanismes mis en jeu lors du contact entre ces aciers sous tension et le métal liquide. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet MEGAPIE-TEST mis en place pour étudier la faisabilité d'une cible de spallation au plomb-bismuth liquide. L'effet de l'eutectique plomb-bismuth liquide sur le T91 et le 316L a été étudié en fonction de la température et de la vitesse de déformation, en utilisant des éprouvettes CCT adaptées à l'étude de propagation de fissures. La présence de Pb-Bi modifie le mécanisme de rupture du T91 au détriment de la germination, croissance et coalescence des cavités. La rupture procède alors par décohésion des bandes de cisaillement. L'effet fragilisant du Pb-Bi est très marqué aux très faibles vitesses de déformation. Une transition fragile-ductile se produit aux grandes vitesses de déformation (~10-5 m.s-1 à 160°C). Les propriétés mécaniques du 316L ne sont pas autant affectées par la présence de Pb-Bi, toutefois une transition réelle est observée sur les faciès de rupture, où là également il y a compétition entre l'effet fragilisant du métal liquide et la rupture ductile. Le mécanisme suggéré dans ce travail est fondé sur la localisation de la déformation en pointe de la fissure combinée au phénomène de réduction d'énergie de surface induite par adsorption de métal liquide (effet Rebinder) et ne fait intervenir aucun processus diffusionnel en particulier aux joints de grains. / The aim of this work is to study liquid metal embrittlement (LME) on the T91/Pb-Bi and 316L/Pb-Bi systems. A particular attention is paid to obtain a better understanding of the mechanisms of fracture when steels are in contact with liquid metal. This work has been performed within the European projects MEGAPIE-TEST and EUROTRANS which aim to prove the feasibility of lead-bismuth nuclear systems such as spallation target and subcritical reactors. The effect of liquid Lead Bismuth Eutectic (LBE) on 316L and T91 steels has been studied in plane stress conditions as a function of temperature and strain rate, using a CCT geometry adapted for the study of crack propagation. The presence of LBE modifies the fracture mechanism of T91 and prevents fracture by growth and coalescence of cavities. Cracking proceeds by shear band decohesion. This embrittlement effect is very pronounced at low deformation rate whereas at the high strain rate range investigated, a brittle to ductile transition is observed. The temperature variation of the transition rules out LME mechanisms based on dissolution. A fracture mechanics analysis by the J-µa methodology allowed the quantification of the embrittlement degree which is estimated to 30% reduction in the energy required for crack propagation. The mechanical properties of the 316L steel are weakly affected by the presence of LBE, in spite of a change in the plastic deformation at the highest triaxiality point which strongly affecting fracture surfaces. The mechanism of this embrittlement seems to be based on the deformation localization at the crack tip combined with the phenomenon of surface energy reduction induced by the liquid metal adsorption. It does not involve any diffusion process. The deformation localization is confirmed by an electron microscopy study of the crack tip plasticity of 316L under the influence of a liquid metal.

La mise au point de réacteurs nucléaires sous-critiques (Accelerator Driven System - ADS), intrinsèquement sûrs, pour incinérer les déchets nucléaires par transmutation d’actinides de durée de vie longue en radioéléments de plus courte durée de vie, réclament des sources intenses de neutrons. Ces sources sont produites par la technique de spallations « éjections », c’est-à-dire l’interaction d’un faisceau de protons de haute énergie et haute intensité avec une cible contenant des métaux lourds. Compte tenu de la puissance déposée par les protons dans la cible (de l'ordre de quelques MW) seuls des métaux sous forme liquide peuvent à la fois résister aux défauts induits et évacuer la chaleur. Dans ce contexte l'expérience MEGAPIE (MEGawatt PIlot Experiment) fonctionnant avec une fenêtre au niveau de la cible de spallation est pionnière et ouvre la voie vers des cibles de haute puissance. Pour la mise en œuvre de cette cible MEGAPIE, les choix de l’alliage de la cible de spallations, des matériaux de structures de la fenêtre et des parties chaudes sont portés respectivement sur l’eutectique plomb-bismuth, bon rendement neutronique, et l’acier T91 (1%Mo9%Cr en masse), bonne tenue à l’irradiation. Pour les parties froides l’acier 316L a été choisi. Toutefois, malgré sa bonne tenue à l’irradiation, le contact de ces deux alliages (eutectique plomb-bismuth et acier T91) présente quelques inconvénients qui nécessitent d’approfondir la connaissance de leurs propriétés physico-chimiques dans l’environnement MEGAPIE et motive cette présente étude. La contribution de ce travail au développement du réacteur de transmutation a consisté : - d’une part à l'élaboration de revêtements destinés à améliorer les performances de l'acier de structure T91 vis à vis de l'oxydation et de la fissuration par l'eutectique Pb-Bi liquide, - d'autre part à l'étude thermodynamique du système Pb-Bi-(Hg)-Fe-Cr-Al-O pour connaître l’ensemble des équilibres entre phases existant dans les conditions imposées par le fonctionnement du réacteur ADS. Le deuxième volet de ce travail trouve sa justification dans les résultats du premier qui ont mis en évidence le rôle primordial joué par les oxydes mixtes dans l'interaction corrosive entre l'acier et l'eutectique Pb-Bi faiblement oxygéné. / The development of sub-critical nuclear reactors (Accelerator Driven System - ADS), intrinsically safe to incinerate nuclear waste by transmutation of long-lived actinides to radionuclides with a shorter existence, requires intense sources of neutrons. These sources are produced by the "ejected" spallation technique, i.e. the interaction of a high energy, high intensity proton beam with a target containing heavy metals. Considering the power of the proton beam transferred to the target (of a few MW), only metals in the liquid form can be cooled in a closed cooling system and resist to nuclear reactor induced by the proton beam. In this context, the MEGAPIE project (MEGawatt PIlot Experiment), which works with a window at the spallation target, is pioneer and opens the way for high-power targets. The choice of the alloy for the MEGAPIE spallation target is a lead-bismuth eutectic, which is efficient for producing neutrons. For the window beam and hot parts, the best choice at present is the T91 steel (1%Mo9%Cr in mass), due to its good irradiation resistance. For cold parts, the 316L steel was chosen. However, the contact of the two alloys (eutectic lead-bismuth and T91 steel) presents some inconveniences that need to be investigated in relation to their physico-chemical properties in the MEGAPIE environment, which motivates this study. The contribution of this work to this subject consisted of : - In a part, the development of coatings designed to improve the chemical and mechanical performances of the T91 steel in contact of the lead-bismuth eutectic liquid alloy, - In another part, the investigation of the thermodynamic properties of the Pb-Bi-(Hg)-Fe-Cr-Al-O system for all phase equilibria within the conditions imposed by the operation of the ADS reactor. The second part of this work is justified by the results, which, for the first time, highlight the role played by the mixed oxide phases in the corrosive interaction between the T91 steel and Pb-Bi eutectic, in a poorly oxygenated environment.

L'objectif de cette étude est d'aboutir à une meilleure compréhension de la fragilisation par les métaux liquides (FML) à travers l'étude des systèmes T91/Pb-Bi et 316L/Pb-Bi et notamment d'en établir les mécanismes mis en jeu lors du contact entre ces aciers sous tension et le métal liquide. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet MEGAPIE-TEST mis en place pour étudier la faisabilité d'une cible de spallation au plomb-bismuth liquide. L'effet de l'eutectique plomb-bismuth liquide sur le T91 et le 316L a été étudié en fonction de la température et de la vitesse de déformation, en utilisant des éprouvettes CCT adaptées à l'étude de propagation de fissures. La présence de Pb-Bi modifie le mécanisme de rupture du T91 au détriment de la germination, croissance et coalescence des cavités. La rupture procède alors par décohésion des bandes de cisaillement. L'effet fragilisant du Pb-Bi est très marqué aux très faibles vitesses de déformation. Une transition fragile-ductile se produit aux grandes vitesses de déformation (~10-5 m.s-1 à 160°C). Les propriétés mécaniques du 316L ne sont pas autant affectées par la présence de Pb-Bi, toutefois une transition réelle est observée sur les faciès de rupture, où là également il y a compétition entre l'effet fragilisant du métal liquide et la rupture ductile. Le mécanisme suggéré dans ce travail est fondé sur la localisation de la déformation en pointe de la fissure combinée au phénomène de réduction d'énergie de surface induite par adsorption de métal liquide (effet Rebinder) et ne fait intervenir aucun processus diffusionnel en particulier aux joints de grains.