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

Penas Olivia

Description

Sommaire global Nomenclature 12 Introduction 14 Chapitre 1 Bibliographie 17 1. Généralités sur les composites à matrice céramique....................................................... 17 1.1. Introduction .................................................................................................................... 18 1.2. Composites carbone-carbone ......................................................................................... 19 1.2.1 Les fibres carbone ................................................................................................. 19 1.2.2 La matrice de carbone ........................................................................................... 19 1.2.3 Les interphases......................................................................................................20 1.2.4 Les revêtements externes ...................................................................................... 20 1.3. Composites à matrice ou fibres oxydes.......................................................................... 22 1.3.1 Les fibres oxydes (Al O , ZrO , SiO ,YAG…) .................................................... 22 2 3 2 21.3.2 Les matrices oxydes .............................................................................................. 23 1.3.3 Les interphases24 1.4. Composites SiC/SiC....................................................................................................... 25 1.4.1 Les fibres SiC ...

Informations

• Publié par: Shyan
• Nombre de lectures: 29
• Langue: Catalan

Extrait

Sommaire global Nomenclature 12 Introduction 14 Chapitre 1Bibliographie 17 1. 17Généralités sur les composites à matrice céramique....................................................... 1.1. Introduction.................................................................................................................... 18 1.2. Composites carbonecarbone .........................................................................................19 1.2.1 Lesfibres carbone .................................................................................................19 1.2.2 Lamatrice de carbone ...........................................................................................19 1.2.3 Lesinterphases ...................................................................................................... 20 1.2.4 Lesrevêtements externes ......................................................................................20 1.3. Composites à matrice ou fibres oxydes..........................................................................22 1.3.1 Lesfibres oxydes (Al 2 O 3 , ZrO 2 , SiO 2 ,YAG…) .................................................... 22 1.3.2 Lesmatrices oxydes ..............................................................................................23 1.3.3 Lesinterphases ...................................................................................................... 24 1.4. Composites SiC/SiC....................................................................................................... 25 1.4.1 Lesfibres SiC........................................................................................................ 25 1.4.2 Lesmatrices SiC....................................................................................................29 1.4.3 Lesinterphases ...................................................................................................... 31 1.5. Méthodes d'élaboration ..................................................................................................33 1.5.1 Elaborationen phase vapeur (CVI : Chemical Vapour Infiltration)..................... 34 1.5.2 Elaborationpar voie liquide ou semiliquide........................................................ 35 1.5.3 Elaborationen phase solide...................................................................................37 1.6. Conclusion......................................................................................................................37 2. Comportement mécanique à température ambiante...................................................... 39 2.1. Chargement monotone ...................................................................................................39 2.1.1 Courbetypique contraintedéformation ................................................................39 2.1.2 Cyclesde chargementdéchargement....................................................................40 2.1.3 Compression..........................................................................................................40 2.2. Fatiguecyclique ............................................................................................................. 41 2.2.1 Mécanismesde fatigue dans le composite ............................................................41 2.2.2 Evolutiondes caractéristiques mécaniques........................................................... 44 2.2.3 Influencede la fréquence de sollicitation..............................................................45 2.2.4 Influencede R=σ min /σ max ..................................................................................... 46 2.2.5 Duréede vie et propriétés résiduelles après fatigue.............................................. 46 3. 47Comportement mécanique à haute température............................................................. 3.1. Les constituants des composites.....................................................................................47 3.1.1 Lesfibres ............................................................................................................... 47 3.1.2 Lesmatrices........................................................................................................... 49 3.1.3 L'interphase........................................................................................................... 51 3.2. Evolution des propriétés physicochimiques et thermomécaniques des constituants.... 53 3.2.1 Sousatmosphère neutre ou vide............................................................................53 3.2.2 Sousatmosphère oxydante.................................................................................... 55 3.2.3 Conclusion.............................................................................................................58 3.3. Chargement monotone ou cyclé..................................................................................... 60 3.3.1 Sousatmosphère neutre.........................................................................................60 3.3.2 Sousatmosphère oxydante.................................................................................... 61 3.3.3 Conclusion.............................................................................................................62 3.4. Fluage............................................................................................................................. 62  7

3.4.1 Rappelthéorique et intérêt ....................................................................................62 3.4.2 Sousatmosphère neutre.........................................................................................63 3.4.3 Sousatmosphère oxydante.................................................................................... 64 3.4.4 Conclusion.............................................................................................................66 3.5. Fatigue cyclique .............................................................................................................66 3.5.1 Sousatmosphère neutre.........................................................................................66 3.5.2 Sousatmosphère oxydante.................................................................................... 67 3.6. Conclusion......................................................................................................................67 4. 68Modélisation des mécanismes d'endommagement et de rupture................................... 4.1. Comportement en traction monotone............................................................................. 68 4.1.1 Courbecontraintedéformation ............................................................................. 68 4.1.2 Mécanismesd'endommagement............................................................................ 70 4.1.3 Rupturedu composite............................................................................................74 4.2. Fatigue cyclique .............................................................................................................77 4.2.1 Cyclede chargementdéchargement .....................................................................78 4.2.2 Cisaillementinterfacial ......................................................................................... 79 4.2.3 Evolutiondes paramètres d'endommagement....................................................... 80 4.2.4 Diagrammed'endurance ........................................................................................ 83 4.2.5 Rupture.................................................................................................................. 83 4.3. Interaction fluagefatigue............................................................................................... 84 4.3.1 Fluageuniaxial ...................................................................................................... 84 4.3.2 Influencelors d'un chargement monotone ............................................................85 4.3.3 Présenced'un effet dépendant du temps durant la fatigue ....................................85 4.3.4 Influenced'un passage en compression.................................................................86 4.3.5 Conclusions........................................................................................................... 88 4.4. Influence du tissage sur le comportement mécanique....................................................88 4.4.1 Présentationdes architectures du renfort fibreux.................................................. 88 4.4.2 Identificationdes mécanismes d'endommagement ...............................................88 5. Conclusion........................................................................................................................... 90 Chapitre 2Présentation et comportement thermomécanique du matériau92 1. Présentation du matériau et dispositif expérimental ......................................................92 1.1. Présentation du matériau................................................................................................ 92 1.1.1 Lerenfort fibreux ..................................................................................................93 1.1.2 L'interphasepyrocarbone (PyC)............................................................................93 1.1.3 Lamatrice multiséquencée....................................................................................93 1.1.4 Descriptifmorphologique ..................................................................................... 94 1.2. Dispositif expérimental ..................................................................................................96 1.2.1 Machinede fatigue................................................................................................ 96 1.2.2 Microscopie......................................................................................................... 103 2. 104Comportement du composite SiC/SiBC à basse température (<1100°C). .................. 2.1. En traction monotone ou cyclée................................................................................... 105 2.1.1 Essaisde tractionmonotone ............................................................................... 105 2.1.2 Essaisde traction cyclée......................................................................................106 2.1.3 Comportementen traction/compression.............................................................108 2.1.4 Influencede la vitesse de sollicitation et dispersion des résultats.......................108 2.2. En fatigue cyclique.......................................................................................................109 2.2.1 Exploitationdes paramètres mécaniques ............................................................109 2.2.2 Influencedu mode de cyclage............................................................................. 109 2.2.3 Influencede la contrainte.................................................................................... 111 2.2.4 Evolutionen fonction du nombre de cycles........................................................ 113 2.2.5 Influencedes sauts de contrainte en cours de fatigue .........................................115  8

2.2.6 Effetde la fréquence ...........................................................................................116 2.2.7 Effetd'un cycle de fatigue thermique..................................................................118 2.2.8 Caractérisationmicrostructurale ......................................................................... 119 2.3. Durée de vie et potentiel restant................................................................................... 124 2.3.1 Duréede vie ........................................................................................................124 2.3.2 Potentielrestant ................................................................................................... 124 2.3.3 Localisationde la rupture.................................................................................... 126 2.4. Conclusion sur le comportement mécanique aux basses températures........................127 3. 128Comportement du composite SiC/SiBC à haute température (>1100°C)................... 3.1. Traction monotone ou cyclée....................................................................................... 128 3.1.1 Essaisde traction cyclée......................................................................................128 3.1.2 Comportementen traction/compression..............................................................131 3.1.3 Influencede la vitesse de sollicitation et dispersion des résultats.......................131 3.2. Fatigue cyclique ...........................................................................................................131 3.2.1 Influencedu mode de cyclage............................................................................. 131 3.2.2 Influencede la contrainte.................................................................................... 133 3.2.3 Effetdu nombre de cycles................................................................................... 135 3.2.4 Effetde la fréquence ...........................................................................................135 3.2.5 Influenced'un cycle de fatigue thermique...........................................................137 3.2.6 Caractérisationmicrostructurale ......................................................................... 137 3.3. Durée de vie et potentiel restant................................................................................... 139 3.3.1 Duréede vie ........................................................................................................139 3.3.2 Potentielrestant ................................................................................................... 140 3.3.3 Localisationde la rupture.................................................................................... 141 3.4. Conclusion sur le comportement mécanique aux hautes températures........................142 Chapitre 3Oxydation 143 1. Bibliographie.......................................................................................................................144 3.1. Introduction.................................................................................................................. 144 3.2. Oxydation du silicium et du carbure de silicium..........................................................145 3.3. Oxydation du carbone ..................................................................................................145 3.4. Oxydation des éléments Si, B, C de la matrice multiséquencée ..................................146 3.4.1 CoucheX............................................................................................................. 146 3.4.2 CoucheY............................................................................................................. 146 3.4.3 CoucheZ ............................................................................................................. 147 3.5. Cinétiques d’oxydation ................................................................................................147 4. Description des techniques expérimentales....................................................................148 4.1. Préparation des échantillons.........................................................................................148 4.2. Analyse thermogravimétrique...................................................................................... 148 4.3. Diffraction de rayons X................................................................................................148 4.4. Mesures de masses volumiques....................................................................................149 4.4.1 Massevolumique apparente................................................................................ 149 4.4.2 Massevolumique absolue au pycnomètre à hélium............................................149 4.5. Mesures de conductivité électrique.............................................................................. 149 4.6. Caractérisation microstructurale ..................................................................................150 4.7. Dilatométrie..................................................................................................................150 5. ..................................................................................................... 151Résultats et Discussion 5.1. Cinétiques d'oxydation................................................................................................. 151 5.2. Diffraction de rayons X................................................................................................153 5.3. Mesures de masses volumiques....................................................................................154 5.3.1 Massevolumique apparente................................................................................ 154 5.3.2 Massevolumique absolue au pycnomètre à hélium............................................154

9

5.4. Mesures de conductivité électrique.............................................................................. 155 5.5. Observations microscopiques.......................................................................................156 5.6.  Mesures dilatométriques .............................................................................................. 157 5.7. Discussion ....................................................................................................................159 5.8. Evolution des propriétés physicochimiques au cours de la fatigue ............................159 5.8.1 Evolutiondes propriétés physicochimiques à basses températures(≤600°C). 160 5.8.2 Evolutiondes propriétés physicochimiques à haute température (≥1100°C) ... 161 5.8.3 Discussion........................................................................................................... 163 Chapitre 4Discussion 165 1. 165Influence de la température sur le comportement mécanique..................................... 1.1. Sollicitation monotone .................................................................................................165 1.2. Fatigue cyclique ...........................................................................................................166 1.3. Observations microscopiques.......................................................................................167 1.4. Influence des contraintes thermiques résiduelles......................................................... 167 1.4.1 Tractioncyclée/Modèle de Steen........................................................................ 167 1.4.2 Dispersiondes résultats....................................................................................... 170 1.4.3 Cyclesde fatigue thermique................................................................................ 170 1.4.4 Caractérisationphysicochimique des échantillons testés en fatigue..................171 2. Mécanismes d'endommagement .....................................................................................172 2.1. A basse température .....................................................................................................172 2.1.1 Diagrammed’endurance ..................................................................................... 172 2.1.2 Comportementen fatigue.................................................................................... 172 2.1.3 Effetdu passage en compression ........................................................................174 2.1.4 Influencedes essais avec sauts de contrainte...................................................... 175 2.1.5 Rupture................................................................................................................ 175 2.2. A haute température .....................................................................................................176 2.2.1 Diagrammed’endurance ..................................................................................... 176 2.2.2 Comportementen fatigue.................................................................................... 176 2.2.3 Effetde la fréquence ...........................................................................................181 2.2.4 Effetdu type de cyclage...................................................................................... 181 2.2.5 Rupture................................................................................................................ 181 2.2.6 Synthèse.............................................................................................................. 182 2.3. Influence du relâchement des contraintespar cyclage................................................ 182 2.3.1 Tractionmonotone/cyclée/fatigue....................................................................... 182 2.3.2 Influencede la traction initiale sur le comportement en fatigue......................... 182 2.3.3 Propriétésrésiduelles........................................................................................... 183 3. Modèle à basses températures.........................................................................................184 3.1. Introduction.................................................................................................................. 184 3.2. Hypothèses ...................................................................................................................185 3.3. Limites..........................................................................................................................185 3.4. Applications .................................................................................................................186 3.4.1 Premiercas .......................................................................................................... 188 3.4.2 Deuxièmecas ...................................................................................................... 188 3.4.3 Troisièmecas....................................................................................................... 189 3.4.4 Conclusions......................................................................................................... 189 Conclusions 190 Perspectives 192 Les Annexes193 Annexe 1 : Système d'extensométrie capacitive INSTRON. ..............................................194 Annexe 2 :Caractéristiques des tiges d'extensomètre en SiC........................................... 195

10

Annexe 3 : Montage pour mesurer la réponse de l'extensomètre......................................196 Annexe 4 : Stabilité de l'extensomètre avec la température...............................................197 Annexe 5 : Influence de la fréquence d'induction du four sur le bruit de l'extensomètre. ........................................................................................................................ 198 Annexe 6 : Dispositif des jauges extensométriques. ............................................................199 Références bibliographiques200

11

12