Approches prédictives d’apprentissage automatique pour le comportement microstructural des alliages de zirconium multiphasés

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5394 (2023) Citer cet article

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Les alliages de zirconium sont largement utilisés dans des environnements difficiles caractérisés par des températures élevées, une corrosivité et une exposition aux rayonnements. Ces alliages, qui ont une structure hexagonale fermée (hcp), se dégradent thermomécaniquement lorsqu'ils sont exposés à des environnements de fonctionnement sévères en raison de la formation d'hydrure. Ces hydrures ont une structure cristalline différente de celle de la matrice, ce qui donne un alliage multiphasé. Pour modéliser avec précision ces matériaux à l'échelle physique appropriée, il est nécessaire de les caractériser entièrement sur la base d'une empreinte microstructurale, définie ici comme une combinaison de caractéristiques comprenant la géométrie de l'hydrure, la texture du parent et de l'hydrure et la structure cristalline de ces alliages multiphasés. Par conséquent, cette enquête développera une approche de modélisation d’ordre réduit, dans laquelle cette empreinte microstructurale est utilisée pour prédire les niveaux de contraintes de fracture critiques qui sont physiquement cohérents avec la déformation microstructurale et les modes de fracture. Des méthodologies d'apprentissage automatique (ML) basées sur la régression du processus gaussien, les forêts aléatoires et les perceptrons multicouches (MLP) ont été utilisées pour prédire les états de contrainte critiques de rupture des matériaux. Les MLP, ou réseaux de neurones, présentaient la plus grande précision sur des ensembles de tests maintenus sur trois niveaux de contrainte d'intérêt prédéterminés. L'orientation ou la texture des hydrures, l'orientation ou la texture des grains et la fraction volumique de l'hydrure ont eu le plus grand effet sur les niveaux critiques de contraintes de fracture et avaient des dépendances partielles très significatives. En comparaison, la longueur et l'espacement des hydrures ont moins d'effets sur les contraintes de fracture. En outre, ces modèles ont également été utilisés pour prédire avec précision la réponse du matériau aux déformations nominales appliquées en fonction de l'empreinte microstructurale.

Les alliages de zirconium sont largement utilisés dans les environnements où une résistance à haute température, une résistance à la corrosion ou une faible sensibilité aux rayonnements sont requises1. Ils peuvent être utilisés comme gaine pour l’uranium dans les réacteurs nucléaires, où l’exposition à de l’eau lourde à haute température peut provoquer des défauts au sein de la microstructure provoqués par l’accumulation d’hydrogène2,3. Il a été démontré que ces défauts dégradent les propriétés de comportement mécanique des alliages de zirconium, telles que la contrainte de traction ultime, la ductilité et les déformations à la rupture4,5. Ces caractéristiques microstructurales peuvent jouer un rôle essentiel dans les performances des matériaux lors d'un stockage à long terme et lors d'incidents tels que les accidents de perte de liquide de refroidissement (LOCA)6. Il est donc essentiel de comprendre et prédire l’impact des hydrures sur ces matériaux.

Des études expérimentales sur les matériaux hydrurés en zirconium ont indiqué que les matériaux hydrurés, ainsi que la géométrie associée aux hydrures, jouent un rôle déterminant dans la caractérisation de la réponse du matériau. Pour la formation d'hydrures se produisant lors de la fissuration retardée des hydrures (DHC), Shi et Puls ont conclu que la taille et la forme des hydrures précipités au fond de la fissure affectaient négativement le facteur d'intensité de contrainte et donc la propagation de la fissure7. Il a été démontré expérimentalement que la ténacité de la feuille de Zircaloy-4 diminue à mesure que la teneur en hydrogène augmente et que la proportion d'hydrures orientés radialement augmente8. Il a été constaté que des températures plus élevées réduisent la propagation des fissures en raison d'une ductilité accrue. Des études sur la rupture dans les matériaux hydrurés ont montré que les hydrures ont tendance à provoquer une rupture fragile à des températures inférieures à 100 °C, la matrice présentant une rupture ductile9. Colas et coll. ont étudié plus en détail la dépendance thermique de la formation d'hydrure et quantifié les déformations élastiques dues à la formation de différentes orientations d'hydrure10. Sharma et coll. ont constaté que la ténacité à la rupture était réduite avec la formation d'hydrures, et encore plus pour la formation d'hydrures radiaux, avec une réduction d'environ 80 % par rapport aux hydrures circonférentiels11. Les études de fatigue dans les alliages de zirconium hydrurés ont également montré une forte préférence pour la formation de microfissures dans les hydrures orientés radialement12.