Présentation
Auteur(s)
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Pierre BARBERIS : AREVA-NP/Centre de Recherches de CEZUS (Ugine)
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Le zirconium a été découvert en 1789 par Klaproth et obtenu pour la première fois sous forme métallique impure en 1824 par Berzelius. Il a fallu attendre 1925 pour que ce métal soit obtenu en laboratoire sous forme très pure et donc très ductile par Van Arkel et De Boer.
Le hafnium n'a été isolé qu'en 1923 par Coster et De Hevesy. La volonté de construire des sous-marins à propulsion nucléaire a conduit à retenir le zirconium comme seul élément de structure pouvant convenir pour la construction d'un réacteur compact. Ce besoin, à une époque où la métallurgie du zirconium n'existait pas, a initié, d'abord aux États-Unis, puis en France, d'importantes études dont les principaux thèmes furent :
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l'obtention de zirconium ductile ;
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la séparation zirconium-hafnium ;
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la mise au point des fours de fusion ;
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la recherche d'alliages résistant à la corrosion aqueuse ;
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les conditions de transformation ;
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le comportement sous irradiation.
La métallurgie de ces métaux a amorcé son développement industriel vers 1950, aux États-Unis, et vers 1960, en France. En 2005, la capacité mondiale est d'environ 7 000 tonnes d'alliages de zirconium, les principaux producteurs étant les Etats-Unis, la France, la Russie et l'Inde. Avec la renaissance du nucléaire, elle devrait s'accroître dans les prochaines années, avec de nouveaux acteurs.
Les capacités en hafnium sont très limitées et dépendent de celles du zirconium puisque les seules sources de hafnium sont les minerais de zirconium qui n'en contiennent que 2 à 4 %. Ces métaux, développés initialement pour des applications uniquement nucléaires, voient leur champ d'application s'élargir du fait d'une excellente résistance à la corrosion dans de nombreux milieux agressifs.
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- Version courante de févr. 2015 par Pierre BARBERIS
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Oxydation – Corrosion4. Propriétés mécaniques
Le tableau 2 résume les caractéristiques de traction et de dureté de quelques matériaux. L'influence du sens de prélèvement est surtout importante sur la limite élastique et les allongements à rupture.
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La figure 2 résume l'influence de la température sur les caractéristiques de traction du Zircaloy 4 et du hafnium. Entre 400 et 500 °C environ, existe un palier athermique (les limites élastiques ou à rupture varient plus faiblement avec la température qu’aux températures inférieures ou supérieures, traduisant un léger durcissement), révélateur du phénomène de vieillissement dynamique.
Le module élastique dépend de la température (dans la plage 0 °C-750 °C) suivant la loi :
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avec E en GPa et T en °C.
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La figure 3 résume quelques données de fluage. L'ensemble des résultats montre une meilleure tenue mécanique du hafnium par rapport au zirconium non allié.
Le fluage est significativement anisotrope. L’état métallurgique (écroui, détendu, recristallisé, trempé) a une influence importante sur le fluage, à la fois sur la vitesse et l’anisotropie : un état recristallisé flue moins qu’un état détendu.
En ce qui concerne les alliages, les données diffusées montrent que le principal intérêt de l'alliage Zr-Nb 2,5 %, pour ne pas dire le seul, réside dans sa bonne tenue mécanique.
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L'oxygène a une influence importante et doit être considéré, non pas comme une impureté, mais comme un élément d'alliage (figure 4). Les teneurs habituelles sont comprises entre 1 000 et 1 500 ppm (parties par million, en masse). L’effet de l’oxygène est surtout sensible jusqu’à environ 500 °C.
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Influence de l'hydrogène . Les caractéristiques données dans le tableau ...
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