Alliage Zirconium-Niobium – Densité – Résistance – Dureté – Point de fusion

À propos de l’alliage zirconium-niobium

Les alliages de zirconium avec du niobium sont utilisés comme gaines des éléments combustibles des réacteurs VVER et RBMK. Ces alliages sont le matériau de base du canal d’assemblage du réacteur RBMK. L’alliage Zr + 1% Nb de type N-1 E-110 est utilisé pour les gainages des éléments combustibles, l’alliage Zr + 2,5% Nb de type E-125 est appliqué pour les tubes des canaux d’assemblage.

Le matériau de gaine pour les nouvelles conceptions de combustible 17×17 est également basé sur les alliages zirconium-niobium (par exemple, le matériau ZIRLO optimisé), dont la résistance à la corrosion a été démontrée par rapport aux matériaux de gaine de combustible antérieurs. Le niveau d’étain optimisé offre un taux de corrosion réduit tout en conservant les avantages de la résistance mécanique et de la résistance à la corrosion accélérée due à des conditions chimiques anormales.

Résumé

Nom	Alliage zirconium-niobium
Phase à STP	solide
Densité	6560kg/m3
Résistance à la traction ultime	514 MPa
Limite d’élasticité	381 MPa
Module de Young	99 GPa
Dureté Brinell	89 BHN
Point de fusion	1850°C
Conductibilité thermique	18W/mK
Capacité thermique	285 J/g·K
Prix	25 $/kg

Densité de l’alliage zirconium-niobium

Les densités typiques de diverses substances sont à la pression atmosphérique. La densité  est définie comme la  masse par unité de volume. C’est une  propriété intensive, qui est définie mathématiquement comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). L’unité anglaise standard est la masse de livres par pied cube (lbm/ft³).

La densité de l’alliage zirconium-niobium est de 6560 kg/m³.

Exemple: Densité

Calculez la hauteur d’un cube en alliage de zirconium-niobium, qui pèse une tonne métrique.

Solution:

La densité  est définie comme la  masse par unité de volume. Il est mathématiquement défini comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

Comme le volume d’un cube est la troisième puissance de ses côtés (V = a³), la hauteur de ce cube peut être calculée:

La hauteur de ce cube est alors a = 0,534 m.

Propriétés mécaniques de l’alliage zirconium-niobium

Résistance de l’alliage zirconium-niobium

En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique.

Résistance à la traction ultime

La résistance à la traction ultime de l’alliage zirconium-niobium est d’environ 514 MPa.

La résistance à la traction ultime est le maximum sur la courbe technique de contrainte-déformation. Cela correspond à la contrainte maximalequi peut être soutenu par une structure en tension. La résistance à la traction ultime est souvent abrégée en « résistance à la traction » ou même en « l’ultime ». Si cette contrainte est appliquée et maintenue, une fracture en résultera. Souvent, cette valeur est nettement supérieure à la limite d’élasticité (jusqu’à 50 à 60 % de plus que le rendement pour certains types de métaux). Lorsqu’un matériau ductile atteint sa résistance ultime, il subit une striction où la section transversale se réduit localement. La courbe contrainte-déformation ne contient pas de contrainte supérieure à la résistance ultime. Même si les déformations peuvent continuer à augmenter, la contrainte diminue généralement après que la résistance ultime a été atteinte. C’est une propriété intensive; sa valeur ne dépend donc pas de la taille de l’éprouvette. Cependant, cela dépend d’autres facteurs, tels que la préparation de l’échantillon,température de l’environnement et du matériau d’essai. Les résistances ultimes à la traction varient de 50 MPa pour un aluminium jusqu’à 3000 MPa pour les aciers à très haute résistance.

Limite d’élasticité

La limite d’élasticité de l’alliage zirconium-niobium est d’environ 381 MPa.

La  limite d’ élasticité  est le point sur une  courbe contrainte-déformation  qui indique la limite du comportement élastique et le début du comportement plastique. Limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence. Avant la limite d’élasticité, le matériau se déforme élastiquement et reprend sa forme d’origine lorsque la contrainte appliquée est supprimée. Une fois la limite d’élasticité dépassée, une partie de la déformation sera permanente et irréversible. Certains aciers et autres matériaux présentent un comportement appelé phénomène de limite d’élasticité. Les limites d’élasticité varient de 35 MPa pour un aluminium à faible résistance à plus de 1400 MPa pour les aciers à très haute résistance.

Module de Young

Le module de Young de l’ alliage zirconium-niobium est d’environ 99 GPa.

Le module de Young est le module d’élasticité pour les contraintes de traction et de compression dans le régime d’élasticité linéaire d’une déformation uniaxiale et est généralement évalué par des essais de traction. Jusqu’à une contrainte limite, une caisse pourra retrouver ses dimensions au retrait de la charge. Les contraintes appliquées font que les atomes d’un cristal se déplacent de leur position d’équilibre. Tous les atomes sont déplacés de la même quantité et conservent toujours leur géométrie relative. Lorsque les contraintes sont supprimées, tous les atomes reviennent à leur position d’origine et aucune déformation permanente ne se produit. Selon la loi de Hooke , la contrainte est proportionnelle à la déformation (dans la région élastique), et la pente est le module de Young. Le module de Young est égal à la contrainte longitudinale divisée par la déformation.

Dureté de l’alliage zirconium-niobium

La dureté Rockwell de l’alliage zirconium-niobium est d’environ 89 HRB.

Le test de dureté Rockwell  est l’un des tests de dureté par indentation les plus courants, qui a été développé pour les tests de dureté. Contrairement au test Brinell, le testeur Rockwell mesure la profondeur de pénétration d’un pénétrateur sous une charge importante (charge majeure) par rapport à la pénétration faite par une précharge (charge mineure). La charge mineure établit la position zéro. La charge majeure est appliquée, puis retirée tout en maintenant la charge mineure. La différence entre la profondeur de pénétration avant et après l’application de la charge principale est utilisée pour calculer le  nombre de dureté Rockwell . C’est-à-dire que la profondeur de pénétration et la dureté sont inversement proportionnelles. Le principal avantage de la dureté Rockwell est sa capacité à  afficher directement les valeurs de dureté. Le résultat est un nombre sans dimension noté  HRA, HRB, HRC, etc., où la dernière lettre est l’échelle Rockwell respective.

Le test Rockwell C est réalisé avec un pénétrateur Brale ( cône diamant 120°) et une charge majeure de 150kg.

Exemple: Force

Supposons une tige en plastique, qui est faite d’alliage de zirconium-niobium. Cette tige en plastique a une section transversale de 1 cm ² . Calculez la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance ultime à la traction de ce matériau, soit : UTS = 514 MPa.

Solution:

La contrainte (σ) peut être assimilée à la charge par unité de surface ou à la force (F) appliquée par section transversale (A) perpendiculaire à la force comme suit :

par conséquent, la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance à la traction ultime est :

F = UTS x A = 514 x 10⁶ x 0,0001 = 51 400 N

Propriétés thermiques de l’alliage zirconium-niobium

Les propriétés thermiques  des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de leur  température et à l’application de chaleur . Lorsqu’un solide absorbe de l’énergie sous forme de chaleur, sa température augmente et ses dimensions augmentent. Mais différents matériaux réagissent différemment à l’application de chaleur.

La capacité calorifique, la dilatation thermique et la conductivité thermique sont des propriétés qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.

Point de fusion de l’alliage zirconium-niobium

Le point de fusion de l’alliage zirconium-niobium est d’environ 1850°C.

En général, la  fusion  est un  changement de phase  d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le  point de fusion  d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le  point de fusion  définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre.

Conductibilité thermique de l’alliage zirconium-niobium

Les alliages de zirconium ont une conductibilité thermique plus faible (environ 18 W/mK) que le zirconium pur (environ 22 W/mK).

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la conductibilité thermique, k (ou λ), mesurée en  W/mK . C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par  conduction. Notez que  la loi de Fourier  s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gazeux), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La conductibilité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire  k = k (T). Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

Exemple: Calcul du transfert de chaleur

La conductivité thermique est définie comme la quantité de chaleur (en watts) transférée à travers une surface carrée de matériau d’une épaisseur donnée (en mètres) en raison d’une différence de température. Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus la capacité du matériau à résister au transfert de chaleur est grande.

Calculer le taux de  flux de chaleur à  travers un mur de 3 mx 10 m de surface (A = 30 m²). La paroi a une épaisseur de 15 cm (L₁) et est constituée d’un alliage de zirconium-niobium avec une conductivité thermique  de k₁ = 18 W/mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure  sont de 22°C et -8°C, et que les  coefficients de transfert de chaleur par convection  sur les côtés intérieur et extérieur sont h₁ = 10 W/m²K et h₂ = 30 W/m²K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).

Calculez le flux de chaleur (perte de chaleur) à travers ce mur.

Solution:

Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de  conduction  et  de convection . Avec ces systèmes composites, il est souvent pratique de travailler avec un  coefficient de transfert de chaleur global, appelé  facteur  U. Le facteur U est défini par une expression analogue à  la loi de refroidissement de Newton:

Le  coefficient de transfert de chaleur global  est lié à la  résistance thermique totale  et dépend de la géométrie du problème.

En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le  coefficient de transfert de chaleur global  peut être calculé comme suit:

Le coefficient de transfert thermique global  est alors: U = 1 / (1/10 + 0,15/18 + 1/30) = 7,06 W/m²K

Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme suit: q = 7,06 [W/m²K] x 30 [K] = 211,77 W/m²

La perte totale de chaleur à travers ce mur sera de: q_perte = q . A = 211,77 [W/m²] x 30 [m²] = 6352,94 W