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Caractérisation microstructurale
Le matériau SiC/Si-B-C étudié est un composite tissé interlock de type Guipex® à fibres de carbure de silicium (SiC) et à matrice multi-séquencée de carbure de silicium. Les torons de carbure de silicium sont tissés pour obtenir une préforme tridimensionnelle complexe avec un ratio chaîne/trame de 54.4/45.6.On y distingue les fils longitudinaux et transversaux, des blocs de matrice voie liquide, de la matrice voie gazeuse et également de nombreuses macroporosités. Un revêtement de matrice multi-séquencée, ou seal-coat, est également déposé sur la surface du matériau. Ce seal-coat a pour but, entre autres, de protéger le matériau contre l’oxydation, rendant « imperméable » le matériau à l’environnement extérieur .Dans le cadre de cette étude, cinq matériaux d’épaisseurs différentes sont étudiés. Tous ces matériaux possèdent la même architecture de base,certains ont été usinés puisré-infiltrés par CVI pour y déposer une couche de seal-coat. Les dénominations(A,B,C,D,E)ont été choisies pour les distinguer. Une épaisseur effective est attribuée à l’ensemble des matériaux.
Cette épaisseur est prise comme étant égale à l’épaisseur de calage lors de la première densification du matériau auquel s’ajoute l’épaisseur de seal-coat en fin de cycle d’élaboration (matériau A : 3.6mm, matériau C : 2.1mm). Pour les matériaux usinés (matériaux B, D et E), l’épaisseur effective sera égale à l’épaisseur finale après usinage (matériau B : 3.0mm, matériau D: 1.9mm,matériau E:0.6mm): matériau A : matériau brut de référence possédant une épaisseur effective de 3.6mm avec une couche de seal-coat ;matériau B: matériau usiné jusqu’à une épaisseur de 3.0mm ; matériau C: matériau usiné jusqu’à une épaisseur de1.9mm puis une couche de seal-coat est déposée par CVI pour obtenir une épaisseur effective de 2.1mm ; matériau D: matériau usiné jusqu’à une épaisseur de 1.9mm ; matériau E: matériau usiné jusqu’à une épaisseur de 0.6mm.
Comportement mécanique hors plan
La caractérisation hors plan des matériaux composites est un sujet difficile à traiter. Peu de dispositifs expérimentaux permettent l’étude sous sollicitations hors plan sauf pour des composites épais(essai de traction hors plan sur éprouvette « diabolo » ou en « queue d’aronde » [Schneider 09]) qui ne sont pas toujours représentatifs des applications industrielles. Parmi ces dispositifs on retrouve l’essai de torsion, l’essai arcan, l’essai de flexion 3 points appuis rapprochés ou encore la caractérisation ultrasonore permettant d’estimer la matrice de rigidité complète du matériau. Comportement en torsion
L’essai de torsion fait intervenir un état de contrainte en cisaillement planet hors plan. Lekhnitski relie ce double état de contrainte à la rigidité de torsion globale du matériau par le biais d’une solution analytique, faisant intervenir deux modules de cisaillement : un module de cisaillement plan G12, et un hors plan G13 ou G23 suivant le sens de prélèvement des éprouvettes. Assez peu d’études sont réalisées sur les compo sites à renfort tridimensionnel. D’après la littérature des essais de torsion ont été réalisés pour caractériser le comportement mécanique hors plan d’un composite tissé interlock Carbone/Epoxy [Schneider 09] et également d’un composite à matrice céramique à renfort orthogonal [Ogasawara 05].
Suivi de l’endommagement par corrélation d’images
La mesure du champ de déplacement par corrélation d’images numérique a aussi été utilisée. Cette technique se base sur le suivi du champ de déplacement d’un ensemble de points déposés sur la surface de l’éprouvette (mouchetis). Dans certains cas, ce mouchetis n’est pas nécessaire. Ce suivi est réalisé à l’aide d’une caméra haute performance, dans notre cas une caméra HAMAMATSUC474295 incorporant un capteur CCD NRB codé en 12bits avec une matrice de 1280×1040 pixels.
L’algorithme que nous utilisons pour la mesure de déplacements 2D est issu des travaux de recherche effectués au sein du laboratoire LMT de l’ENS de Cachan(CORRELIQ4,[Hild 08]). Son originalité réside dans le fait que les déplacements sont calculés dans une base d’éléments finis polynomiaux de degré 1 définis sur 4 sommets. Il permet un calcul global dans les deux directions du plan de l’image pour en déduire les champs de déplacements et de déformations lors d’un essai mécanique. Le programme CORREL Ia été parallélisé pour qu’il puisse être lancé directement sur le cluster du LCTS, ce qui a permis un gain de temps non négligeable (6000 images traitées maintenant en 45min au lieu de 48 heures). La technique de corrélation d’images permet également de visualiser au cours du chargement l’apparition de réseau de fissures en surface du matériau: Il est à noter que le réseau de fissures se développe perpendiculairement à la direction du chargement. Ce réseau est toutefois visible par corrélation d’images principalement si le matériau possède une couche de seal-coat en surface .
Caractérisation des propriétés mécaniques en flexion 4 points
Moyen d’essai La campagne d’essai de flexion a été réalisée à température ambiante sur une machine INSTRON 4505 dans des conditions de sollicitation quasi-statique, avec une vitesse de déplacement de 0.1mm/min. Les données de la force et de la flèche sont enregistrées avec une période de 1s. Les précautions à prendre pour ce type d’essai se situent principalement au niveau des appuis. En effet, l’éprouvette doit être parfaitement perpendiculaire au plan d’application de la charge, un contrôleur d’assiette est ainsi utilisé .
Les deux configurations de montage de flexion 4 points sont définies par (L1 =55mm, ℓ1 =25mm)et(L2=80mm, ℓ2=30mm),où L et ℓ indiquent respectivement la distance entre les appuis extérieurs et la distance entre les appuis intérieurs. Pour les éprouvettes de matériau E (0.6mm d’épaisseur), une cellule de force de 500N a été choisie alors que pour les autres éprouvettes (matériaux A, B, C et D) une cellule de 10kNaétéprivilégiée. Les éprouvettes de flexion ont une dimensionde120mm x 15mm.
Instrumentation Plusieurs instrumentations ont été mises en place pour obtenir des in formations globales (à l’échelle de la structure) et locales (à l’échelle du matériau). L’instrumentation utilisée lors de chaque essai est la suivante : un capteur LVDT pour mesurer le déplacement au centre de l’éprouvette (permettant de s’affranchir des problèmes de complaisance machine dans la mesure du déplacement),l’enregistrement de l’émission acoustique, et un mouchetis est effectué sur la tranche de l’éprouvette et sur les appuis intérieurs pour permettre une mesure du champ de déformation de l’éprouvette ainsi que le champ de déplacement des appuis . Une caméra haute résolution HamamtsuC4742-95 avec un objectif permettant d’avoir une profondeur de champ importante est alors utilisée. Pour certaines éprouvettes, des jauges de déformations sont collées sur la partie supérieure (partie sollicitée en traction) et également sur la partie inférieure de l’éprouvette (partie sollicitée en compression)
Table des matières
Introduction
1 Présentation du composite 3D-SiC/Si-B-C
1.1 Elaboration et microstructure des matériaux étudiés
1.1.1 Elaboration
1.1.2 Caractérisation microstructurale
1.2 Comportement mécanique des matériaux composites tissés à matrice céramique
1.2.1 Comportement mécanique dans le plan du renfort fibreux
1.2.2 Comportement mécanique hors plan
1.3 Conclusion
2 Caractérisation du comportement mécanique
2.1 Comportement mécanique dans le plan des matériaux SiC/Si-B-C
2.1.1 Dispositif expérimental
2.1.2 Comportement dans les axes du renfort
2.1.3 Comportement hors axes
2.1.4 Scénario d’endommagement
2.1.5 Bilan des essais de traction dans le plan du matériau
2.2 Identification et implémentation d’une loi de comportement macroscopique dans un code de calcul de structure
2.2.1 Présentation de la loi de comportement SMDOC
2.2.2 Développement d’un protocole d’identification de SMDOC
2.2.3 Mise en place d’une démarche d’implantation des lois de comportement dans un code de calcul
2.3 Comportement en flexion 4 points des matériaux SiC/Si-B-C
2.3.1 Caractérisation des propriétés mécaniques en flexion 4 points
2.3.2 Caractérisation microstructurale de l’endommagement en flexion 4 points
2.3.3 Modélisation du comportement en flexion 4 points
2.4 Conclusion
3 Modélisation du comportement élastique des CMC à l’échelle mésoscopique
3.1 Eléments de bibliographie
3.1.1 Modélisation du comportement élastique du toron
3.1.2 Modélisation du composite tissé
3.2 Modélisation et maillage de cellules tissées 2D
3.2.1 Modélisation géométrique et maillage du renfort tissé
3.2.2 Génération de l’image représentative de la microstructure
3.2.3 Transformation d’une image en un maillage éléments finis
3.3 Calcul des propriétés élastiques effectives
3.3.1 Définition du problème micro-mécanique
3.3.2 Etude paramétrique
3.3.3 Limite de l’homogénéisation classique
3.4 Validation du modèle sur une éprouvette technologique
3.4.1 Procédure expérimentale
3.4.2 Résultats expérimentaux
3.4.3 Résultats de la simulation numérique
3.5 Conclusion
4 Modélisation du comportement élastique des CMC à l’échelle macroscopique
4.1 Présentation du modèle HPZ
4.1.1 Principe de la méthode
4.1.2 Etude de la discrétisation du domaine d’homogénéisation
4.2 Vers une stratégie d’implémentation de HPZ dans un code de calcul de structure
4.2.1 Distribution aléatoires des propriétés locales
4.2.2 Algorithme d’implémentation de HPZ-aléa
4.3 Applications du modèle HPZ
4.3.1 Simulation de l’essai de flexion sur éprouvette à variation d’épaisseur: propriétés élastiques
4.3.2 HPZ et l’analyse modale
4.3.3 Couplage de HPZ avec un modèle macro d’endommagement (SMDOC)
4.4 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie
