Mécanismes d'endommagement, émission acoustique et durées de vie en fatigue statique du composite SiCf/[Si-B-C] aux températures intermédiaires (<800 °C)
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The SiC/[Si-B-C]] composite has been developed for specific applications under high temperatures and corrosive environments. The envisioned applications in civil aircraft engine is require very long lifetimes (20 000 h), which cannot be measured experimental y. New methods are thus necessary to predict lifetimes of this composite. This study aims at determining the damage mechanisms limiting the composite's lifetime at intermediate temperatures. The acoustic emission (AE) technique was used to measure the damage kinetics during Static fatigue experiments. A methodology for AE signals clustering has been developed, in order to separate the signals coming from different damage mechanisms: matrix cracking, interfacial deboning sliding fiber failure. This methodology was first drawn up with ae data recorded during experiments on model materials. Then it has been applied and validated in the case of the 3d composite tested at room temperature. Static fatigue experiments were performed at temperatures in the range [450•c-750•c], in order to Determine short lifetimes and to plot a lifetime diagram as a function of the applied stress. The Degradation mechanisms were analyzed. Several damage indicators were measured during the tests: The strain, the elastic modulus and the number of AE signals. A basic criterion has been proposed for Lifetime prediction: it is possible to detect minimum of the acoustic activity, during a static fatigue experiment, at nearly 60% of the time to failure. The AE signals of fiber failures have been successfully identified. The kinetics of fiber failures could be used to model the composite's degradation and to predict lifetimes.
Abstract FR:
Le composite SiCf/[Si-B-C], à fibres en carbure de silicium et à matrice auto-cicatrisante, a été développé par Snecma Propulsion Solide pour être utilisé à haute température et en milieux corrosifs. Actuellement, les applications visées dans le domaine de l’aéronautique civile requièrent des durées de vie de l’ordre de 20 000 h, ce qui dépasse les durées d’expérimentation envisageables. De nouvelles méthodes sont donc nécessaires pour faire des prévisions de durées de vie de ces matériaux et valider leur utilisation sur le long terme. Ce travail vise à déterminer quels sont les mécanismes d’endommagement contrôlant la durée de vie du composite aux températures intermédiaires (<800°C), et à mesurer les cinétiques de ces mécanismes pendant les essais de fatigue statique. Pour cela, la technique de l’émission acoustique (EA) a été utilisée. Une procédure de classification des signaux d’EA a été développée, de manière à différencier les signaux provenant de différents mécanismes (fissuration matricielle, décohésion interfaciale, ruptures de fibres). Cette méthodologie a été mise au point sur des matériaux modèles de plus en plus complexes : mèches de fibres, minicomposites, monostrates. Elle a ensuite été utilisée et validée pour le matériau composited’architecture industrielle sollicité à température ambiante. Des essais de fatigue statique ont ensuite été réalisés entre 450°C et 750°C dans le but de déterminer des durées de vie courtes (< 1000 h), de tracer un diagramme de durées de vie et d’analyser le processus de dégradation à chaud. Plusieurs indicateurs de l’endommagement ont été enregistrés en temps réel : la déformation, le module d’élasticité (mesuré à partir des boucles d’hystérésis des cycles de charge-décharge), le nombre de signaux d’EA enregistrés. Un critère simple basé sur l’activité acoustique a été mis en évidence, il permet de détecter environ la demi-vie d’une éprouvette en cours de sollicitation de fatigue statique. Ce critère pourrait permettre d’interrompre les essais avant la rupture tout en ayant une bonne estimation de la durée de vie restante de l’éprouvette. Cela est particulièrement intéressant dans le cas des essais de longue durée (< 5000 h), qui sont très coûteux mais nécessaires pour faire des prévisions de durées de vie très longues (20 000 h). La classification des données d’EA permet d’isoler les signaux provenant des ruptures de fibres, et donc de mesurer la cinétique de ces ruptures. La durée de vie étant contrôlée par la dégradation du renfort fibreux, cela ouvre des perspectives très intéressantes pour une modélisation de la dégradation du composite et de nouvelles méthodes de prévision de durées de vie.