Etude de l'influence de la microstructure sur les propriétés mécaniques à chaud et la résistance aux chocs thermiques des matériaux carbonés
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Carbon materials studied, mainly used as electrodes in aluminium electrolysis cells, have a heterogeneous microstructure composed of several carbon phases showing different properties, and their fracture behaviour is complex. In their application, these products are working at high temperature and, therefore , they are submitted to severe mechanical and thermal solicitations. The understanding of the thermo-mechanical behaviour of carbon materials is then essential to optimize their application. The main interest of this work is to establish relation between the macroscopic characteristics of carbon materials at room temperature and at high temperature (fracture behaviour, crack growth resistance, thermal shock resistance) and their microstructure. Therefore, two experimental apparatus have been set up to determine the flexural strength up to 1400 °c and the Young's modulus up to 1200°c. In order to dee en the knowledge of the affect of porosity on the fracture mechanisms and the thermal shock resistance, some particular materials have been elaborated with different composition. The physical and the mechanical properties of the constituents (grains, binder, binder- powder matrix), like the carbon materials porosity described in detail, have been determined. A reversible increase of the mechanical characteristics with rising temperature is observed up to the baking temperature of the materials. This phenomenon is explained by the release of some of the thermal stresses due to the thermal expansion coefficient differences between constituents (Eshelby's theoryl. Moreover, thermo-mechanical properties of carbon materials generally higher for low porosity. Nevertheless, porosity has an influence on thermal shock resistance but in a more complex way : the determining factor seems to be the proportion of binder phase.
Abstract FR:
Les matériaux carbonés étudiés, principalement utilisés comme électrodes dans les cuves d'électrolyse de l'aluminium, présentent une structure hétérogène composée de phases carbonées de propriétés distinctes et leur comportement à la rupture est complexe. Ces produits travaillent à hautes températures et sont soumis à des sollicitations mécaniques et thermiques sévères. La compréhension du comportement thermo-mécanique des matériaux carbonés est donc essentielle si l'on souhaite optimiser leur utilisation. L'objectif de cette étude est de mettre en relation les caractéristiques macroscopiques à température ambiante et à chaud des matériaux carbonés (comportement à la rupture, résistance à la propagation de fissure, tenue aux chocs thermiques) avec leur microstructure. Dans ce but, nous avons mis au point un dispositif expérimental de mesure de la contrainte à la rupture jusqu'à 1400°C et du module d'Young jusqu'à 1200°C. Afin de mieux comprendre le rôle de la porosité sur les mécanismes de rupture et la résistance aux chocs thermiques, des formulations ont été élaborées spécialement dans le cadre d'un plan d'expérience en faisant varier le taux de liant et le taux de poudre. Les propriétés physiques et mécaniques des différents constituants de ces formulations (grains, liant, matrice liant-poudre) ont été caractérisées, ainsi que la porosité décrite en détail. Les grandeurs mécaniques présentent, pour tous les produits, une élévation réversible entre la température ambiante et la température de cuisson des produits. Cette hausse est interprétée par la relaxation d'une partie des contraintes thermiques dues aux différences de coefficient de dilatation thermique des constituants (théorie d'Eshelby). Les caractéristiques thermo-mécanique des matériaux carbonés sont de plus, meilleure à porosité réduite. Cependant, la tenue aux chocs thermiques n'est pas corrélée avec la porosité : c'est le taux de liant qui semble être le facteur déterminant.