Modélisation de comportement élastique équivalent

Les alliages d’aluminium sont très largement utilisés dans l’industrie aéronautique pour deux de leurs caractéristiques essentielles: leur faible densité et leur bonne résistance à la corrosion. Cependant la perspective de leur utilisation en température nécessite de les remplacer par des éléments à haute tenue en température. Ainsi de nouveaux matériaux composites sont élaborés, constitués de matrice (alliages d’ aluminium) et de renforts (fibres courtes, longues, particulaires). La température maximale de fonctionnement envisagée ne dépasse pas 250°C. Pour une gamme plus haute, il faut envisager d’autres matrices comme le titane par exemple. Le type de renfort donne pour une même matrice des caractéristiques mécaniques et de tenue en température totalement différentes suivant la taille et la forme des fibres. La fabrication de ce genre de composite suit un processus très élaboré. Il existe plusieurs modes de fabrication qui dépendent de l’état physique de la matrice au moment de l’incorporation des renforts. Nous allons rapidement passer en revue ces différents procèdes. 

Les différents procédés de fabrication

Il y a deux grandes familles de procédés: la métallurgie des poudres, et l’infiltration sous phase liquide: – La métallurgie des poudres Les renforts sont mélangés à la matrice, réduite à l’état de poudre très fine, puis soumis à une compression à froid puis une compression isostatique à chaud. Le produit obtenu se présente généralement sous forme de billettes qui sont ensuite transformées par filage , laminage etc…. -L’infiltration sous phase liquide Une préforme fibreuse est infiltrée par le métal fondu. La taille du renfort est variable; l’ensemble est ensuite soumis à de fortes pressions. Dans cette famille deux procédés se distinguent:  -la technique Ospray où l’on injecte simultanément des particules et un jet d’alliage fondu, le tout sous gaz inerte. -La technique du pré imprégné où la fibre métallisée est drapée et pressée. Tous ces modes de fabrication induisent des contraintes résiduelles de fabrication dont il faut tenir compte. De plus le choix adéquat des constituants est déterminant pour le respect du cahier des charges souvent sévère pour ce type de composite. Enfin l’interface fibre-matrice doit être le plus parfait possible pour une bonne transmission des efforts dans la fibre. 

Les constituants 

La fibre

Pour assurer un renfort fibreux efficace, les fibres doivent présenter un haut module d’élasticité, et une contrainte à rupture élevée. C’est la cas des fibres de SiC présentes à hauteur de 22% dans la composition pondérale du composite fourni par l’Aérospatiale. Ces fibres sont obtenues à partir de la pyrolyse de la balle de riz (cela permet l’obtention de carbone très pur après mise à haute température et adjonctif de réaction sur des grains de riz alimentaires). Il y a ensuite réaction chimique entre le SiC»2 et le carbone C en présence de catalyseur dans une gamme de température de 1300 à 1700°C . Ce procédé permet de produire des fibres courtes de SiC ou whiskers en quantité importante. Il existe différents fabricants dont les plus connus sont Arco, Taheko, Tokaï Carbon, L’Université de Nagasaki, Nicalon. Comme on peut le constater dans le tableau (1) la nature des whiskers est assez variée. Fabricants Type de cristal Diamètre ((im) longueur (um) Arco a 0.6 10-80 Tokaï a+p 0.05-0.2 10-40 Los Alamos ß 5-6 30-200 Nagasaki P <1 3000-5000 tableau 1 extrait de la référence 33 26 Le SiC présente deux formes allotropiques a et ß: ß dont la structure d’empilement atomique est sans défauts contrairement à «. Afin de connaître la nature exacte du SiC présent dans notre échantillon, on l’a soumis à la diffraction par rayon X. Il s’avère que les deux formes de SiC a et ß coexistent. Un résumé de la méthode de diffraction est présenté en annexe. Les caractéristiques mécaniques prises pour nos fibres ont été relevées dans la littérature. Les valeurs du module d’Young y varient de 414 à 700 GPa et de 0.17 à 0.40 pour le coefficient de Poisson. On a retenu un module de 420 GPa et v égal à 0,17. Et on considère de plus que ces paramètres ne varient pas en fonction de la température dans l’intervalle (0-500°C). Enfin la valeur du coefficient de dilatation linéaire retenu est de o=5.10’6 K »1 (qui est la valeur calculée en fonction du coefficient de la dilatation volumique du SiC massif (Chambolle, 23). Dans la suite de notre étude la fibre aura toujours un comportement élastique isotrope et on négligera la désorientation (malgré l’opération de filage) mise en évidence sur les clichés 2 et 3 obtenus au microscope optique, au profit d’un alignement pariait des fibres les unes par rapport aux autres. On supposera de plus une répartition fibreuse uniforme. Après observation au microscope électronique à balayage (cliché 1) des fibres obtenues après dissolution chimique de notre composite, on prendra pour dimensionner les fibres un rapport d’élancement moyen de 10 pour un • diamètre de 4 um.