Contribution à l'étude des propriétés thermo-mécaniques de composites à matrice métallique à renforts particulaires
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
This thesis work is a contribution for understanding the mechanisms which govern the thermo-mechanical behaviour of a metal matrix composite. Namely, the relations between the mesostructure and the mechanical and thermo-mechanical behaviours of the studied composite are shown. This study is based on four major research axes : a fine characterisation, first, of the mesostructure, which points out a preferential orientation of reinforcement linked to the elaboration process of the material and, second, of the microstructure, which allows to identify the phenomena acting at the microstructural scale on the visco-plastic behaviour of the matrix ; a study of elastic and micro-plastic behaviours of the composite. The relation between the transversal isotropy of elastic constants and the preferential orientation of reinforcement is clearly shown, both experimentally and analytically through behaviour models (Mari/Tanaka and Ponte-Castaneda/Willis). The micro-plastic behaviour allows. Through an analysis method developed at the laboratory, to characterise, first, the residual stress fields due to the composite elaboration and, second, the local yield stress of the matrix ; a characterisation of the therrno-mechanical behaviour of the composite which shows an enhancement of the thermal cycling strain rate with respect to isothermal creep. The effects of the thermo-mechanical parameters on the strain are deeply studied. Observations of damage after numerous thermal cycles under load, are presented and allow to identify the initiation mechanisms; a theoretic analysis of experimental results, based on the study of stress fields generated by strain incompatibilities between matrix and reinforcement, which shows that the strain enhancement during thermal cycling is originated by the plastic accommodations processing acting at microstructural scale. Besides, an analysis of the damage initiation mechanisms is presented, which initiates the development of a life length prediction during thermal cycling under load.
Abstract FR:
Ce travail de thèse est destiné à apporter une contribution à la compréhension des mécanismes régissant le comportement thermo-mécanique des composites à matrice métallique. En particulier, les relations entre la mésostructure et les comportements mécanique et thermo-mécanique du composite étudié sont mises en évidence. Cette étude est articulée autour de quatre axe de recherche principaux : une caractérisation fine, d'une part, de la mésostructure qui met en évidence une orientation privilégiée des renforts liée au process d'élaboration du matériau, et d'autre part, de la microstructure qui permet d'identifier les acteurs agissant à l'échelle microscopique sur le comportement visco-plastique de la matrice; une étude des comportements élastique et micro-plastique du composite. La relation entre l'isotropie transverse des constantes d'élasticité et l'orientation privilégiée des renforts est ainsi clairement démontrée, à la fois expérimentalement et analytiquement au moyen de modèles de comportement (Mori/Tanaka et Ponte Castaneda/ Willis). Le comportement micro-plastique permet, par l'intermédiaire d'une méthode d'analyse développée au laboratoire, de caractériser, d'une part, \es champs de contrainte résiduels dus à \'élaboration du composite, et d'autre part, la limite d'écouleront locale de la matrice ; une caractérisation du comportement du composite sous une sollicitation thermo-mécanique qui montre une accélération de la vitesse de déformation en cyclage thermique sous charge par rapport au fluage isotherme. L'effet des caractéristiques de la sollicitation thermo-mécanique sur la déformation est étudié de manière approfondie. En outre, des observations de l'endommagement après un grand nombre de cycles thermiques sous charge sont présentés et permettent d'identifier les mécanismes d'amorçage; une analyse théorique des différents résultats expérimentaux, basée sur l'étude des champs de contrainte générés par les incompatibilités de déformation entre la matrice et les renforts, qui montre que l'accélération de la déformation en cyclage a pour origine les processus d'accommodation plastique qui agissent à l'échelle microscopique. Nous présentons en outre une analyse des mécanismes d'amorçage de l'endommagement, qui ouvre la voie au développement d'une méthode de prédiction de la durée de vie du composite en cyclage thermique sous charge.