Etude de composites SiC SiBC à matrice multiséquencée en fatigue cyclique à hautes températures

Penas Olivia

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Extrait

Chapitre 4 Discussion 165






1. Influence de la température sur le comportement mécanique..................................... 165
1.1. Sollicitation monotone ................................................................................................. 165
1.2. Fatigue cyclique ........................................................................................................... 166
1.3. Observations microscopiques....................................................................................... 167
1.4. Influence des contraintes thermiques résiduelles......................................................... 167
2. Mécanismes d'endommagement ..................................................................................... 172
2.1. A basse température ..................................................................................................... 172
2.2. A haute température 176
2.3. Influence du relâchement des contraintes par cyclage ................................................ 182
3. Modèle à basses températures......................................................................................... 184
3.1. Introduction .................................................................................................................. 184
3.2. Hypothèses ................................................................................................................... 185
3.3. Limites.......................................................................................................................... 185
3.4. Applications... 186

164Chapitre 4 Discussion
Ce quatrième chapitre s'organise autour de la compréhension des mécanismes
d'endommagement à basse et haute température sous air des composites SiC/SiBC . Celle-ci
est essentiellement basée sur les observations microscopiques, l'évolution des paramètres
d'endommagement mécaniques, ainsi que les propriétés physico-chimiques présentées au
chapitre précédent.
1. Influence de la température sur le comportement
mécanique
1.1. Sollicitation monotone
A partir des essais sous sollicitation monotone, nous considérons que ces matériaux
composites SiC/SiBC présentent un comportement non linéaire élastique endommageable.
Les principales sources de cette non-linéarité sont la création et/ou la propagation de
microfissures dans la matrice, qui tolère des déformations inférieures à celles du renfort et, les
décohésions interfaciales. Le comportement en compression est linéaire élastique.
L'enveloppe des courbes de traction à basse et haute température présente 2 principaux
domaines (Figure 59) :
le domaine élastique linéaire (domaine A),
un deuxième domaine, où l'on observe une augmentation de l'hystérésis des
boucles et une diminution du module élastique, lors des cycles de charge-décharge
(domaines B et C) .
Le domaine élastique se termine lorsque la fissuration matricielle interfil débute. Lorsque le
nombre de microfissures est saturé, c'est l'ouverture croissante des microfissures qui entre en
jeu. Enfin, lorsque les fibres pontantes n'arrivent plus à supporter la charge ou lorsqu'elles
atteignent leur déformation à rupture, leur rupture provoque celle du composite.
A basse et haute températures, la pente moyenne des boucles d'hystérésis diminue
continûment lorsque la déformation augmente, indiquant que l'endommagement s'accroît
progressivement, mais ne se stabilise pas avant rupture (Figure 112). La largeur des boucles
augmente régulièrement, caractérisant l'augmentation des phénomènes de frottement
interfacial, causée par l'accroissement du nombre de fissures ou de la longueur de décohésion.
Figure 112 : Influence de la température sur les courbes de traction cyclée.
350
300
250
1200°C
23°C200
150
100
50
0
-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
-50
Déformation (%)

165
Contrainte (MPa)Le module initial est plus faible que celui calculé par la loi des mélanges (de 70 à 80 %),
indiquant que des décohésions ont probablement déjà eu lieu entre les fibres et la matrice ou
les différentes couches de matrice, durant l'élaboration.
Les évolutions des caractéristiques mécaniques du composite SiC/SiBC lorsque la
température augmente, à vitesse de sollicitation constante, sont :
Les modules d'élasticité initiaux E diminuent avec la température, (de 249 GPa à 23°C 0
à 197 GPa à 1200°C).
La contrainte et la déformation du début de fissuration matricielle augmentent avec la
température (de 78 MPa et 0,03% à 23°C, à 137 MPa et 0,07 % à 1200°C).
Au-delà, le comportement est non linéaire, le déchargement complet est accompagné
d'une déformation permanente, plus élevée à haute température (0,33% à basse température
à 0,45 % à 1200°C).
Le module après saturation reste de l'ordre de 11% de E , quelle que soit la température, 0
ce qui représente ~ 0,5 E V. Cela laisse supposer que près de la moitié des fibres f fl
longitudinales ont rompu pendant la fissuration matricielle.
Les contraintes et les déformations à rupture diminuent faiblement avec la température
(autour de 330 MPa et 0,62 %).
Les modules en compression sont initialement légèrement plus élevés que les modules
non endommagés des composites. Ce comportement s'explique par la refermeture quasi-
complète au cours de la décharge des microfissures existantes. La rigidité du composite non
endommagé est restituée en compression sur le matériau endommagé, dans la mesure où la
matrice et les fibres supportent ensemble la charge.
1.2. Fatigue cyclique
Les courbes de fatigue présentent une évolution différente selon la température (Figure 113).
Figure 113 : Influence de la température sur les paramètres d'endommagement en
fatigue cyclique sous –50/170 MPa.
D 600°C D 1150°C D 1200°C1 1 1
Déf permanente 600°C Déf permanente 1150°C Déf permanente 1200°C
1 0,12
0,9
0,1
0,8
0,7
0,08
0,6
0,5 0,06
0,4
0,04
0,3
0,2
0,02
0,1
0 0
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Nombre de cycles
Le début de la courbe correspond à la création et à la saturation de l'endommagement : il est
associé à une diminution importante de la rigidité. Son étendue dépend de la température et de
4 la contrainte maximale appliquée. Mais globalement, il se situe autour de 10 cycles à basse
3température et 10 cycles à hautes températures.
166
D = 1-E/E
1 1
Déf. permanente (%)A basse température, ce stade est suivi par la stabilisation du matériau endommagé : les cycles
( σ- ε) se superposent. Cette partie représente la majeure partie de la durée de vie des
éprouvettes testées à basse température.
A haute température, la déformation permanente continue d'augmenter, tandis que la
diminution de la rigidité du matériau et les aires des boucles se stabilisent.
Enfin, la dégradation ultime du matériau est la conséquence d'une altération progressive du
renfort (augmentation plus brutale des paramètres d'endommagement, surtout aux hautes
températures).
1.3. Observations microscopiques
Les observations microscopiques des faciès de rupture confirment l'effet de la température. En
effet, à basse température, la rupture est conditionnée par la rupture des fils longitudinaux, à
l'intérieur desquels les fibres sont fortement liées à la matrice intrafil. A haute température, les
extractions individuelles de fibres dans les fils sont prépondérantes. Ces deux types de faciès
traduisent la présence d'une forte liaison interfaciale (donc une contrainte de cisaillement
élevée) entre la fibre et la matrice à basse température, et beaucoup plus faible à haute
température. Ces différences peuvent être attribuées aux contraintes résiduelles thermiques
radiales (Figure 114), même si à haute température, d'autres phénomènes peuvent y
contribuer (amincissement des fibres par fluage et par effet de Poisson).
Figure 114 : Schéma représentant les contraintes thermiques résiduelles radiales.
Basse température (< 1100°C) Haute température (> 1100°C)
( α < α )f m
FIBRE FFIIBREBRE
MAT