Study of the fracture toughness of ODS steels thin walled tubes
Etude de la résistance à la propagation de fissures dans des tubes minces en aciers nano-renforcés ODS
Abstract
Oxide Dispersion Strengthened steels (ODS) are being considered for the fuel cladding of fast neutron reactors, but they exhibit limited ductility. It is crucial to characterize their fracture toughness to ensure their performance. However, measuring the fracture toughness of ductile alloys requires using specimens with sufficient thickness according to the crack front to ensure plastic confinement and maximum triaxiality. The thin tubes under study (10.73 mm outer diameter, 0.5 mm thickness) do not meet these conditions. Therefore, their fracture toughness can depend on both the material and its geometry. Fracture toughness tests have already been conducted on ODS steels at CEA, but with specimens taken from semi-finished products (bars). Whereas, the final manufacturing steps lead to irreversible changes in the microstructure of ODS steel tubes, which, added to the thinness of the component, justify the need to characterize them in their final geometry. The study aims to develop a fracture toughness test to assess crack propagation resistance in thin walled tubes, especially for ODS steel fuel cladding. An approach involving both experimental tests and finite element simulations was used to achieve this goal. To accomplish this, tensile tests on tile and ring specimens were used to characterize the mechanical behavior of the materials at different temperatures. These data were then incorporated into finite element simulations of the studied fracture toughness tests on thin walled tubes. The simulations also allowed the determination of the necessary geometric functions to calculate the elastic and plastic components of the J integral. Two tests were compared, both numerically and experimentally, before selecting the one suitable for measuring cladding toughness at room and high temperatures.
Les aciers renforcés par dispersion d'oxydes (Aciers ODS) sont envisagés pour le gainage combustible des réacteurs de 4ème génération, mais leur ductilité est limitée. Il est donc essentiel de caractériser leur ténacité pour dimensionner correctement les composants de gainage et garantir leur bon fonctionnement.Cependant, la mesure de la ténacité des alliages ductiles nécessite l'utilisation d'éprouvettes suffisamment épaisses selon le front de fissure pour assurer des conditions de confinement plastique et de triaxialité maximale. Les tubes minces étudiés (10.73 mm de diamètre externe, 0.5 mm d'épaisseur) ne répondent pas à ces conditions. Leur ténacité peut donc dépendre à la fois du matériau et de sa géométrie.Des essais de ténacité ont déjà été réalisés au CEA sur des aciers ODS, mais avec des éprouvettes prélevées sur des produits semi-finis (barres). Les étapes finales de fabrication induisent une modification irréversible de la microstructure des tubes ODS, justifiant, avec la faible épaisseur des composants, la nécessité de les caractériser dans leur géométrie finale.L'étude vise à développer des essais de ténacité pour caractériser la résistance à la propagation de fissure dans des tubes minces, en particulier pour les gaines de combustible en aciers ODS. Un dialogue entre l'expérience et la simulation par éléments finis a été utilisé pour atteindre cet objectif.Pour cela, des essais de traction sur tuiles et anneaux ont caractérisé le comportement mécanique des matériaux à différentes températures, et ces données ont été utilisées dans les simulations par éléments finis des essais de ténacité sur les tubes étudiés. Les simulations ont également permis de déterminer les fonctions géométriques nécessaires pour calculer les composantes élastiques et plastiques de l'intégrale J. Deux essais ont été comparés, numériquement et expérimentalement, avant de sélectionner le mieux adapté pour mesurer la ténacité des gaines de combustible à température ambiante et à haute température.
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