Analyse du comportement thermomécanique des matériaux composés : type FGM, Bimatériaux, matériaux composites

Abstract

الملخص (بالعربية) :

تحظى المواد المركبة بأهمية خاصة في الميدان الصناعي ؛ فهي تحل بشكل متزايد محل المواد التقليدية المتجانسة في معظم التطبيقات الصناعية. لتعزيز خواص المقاومة الميكانيكية للمادة (المصفوفة) ، من الضروري تقويتها بمواد عالية الصلابة على شكل (ألياف) أو جزيئات (تقوية). يتم هذا التعزيز في درجات حرارة عالية نسبيًا. يؤدي تبريد الرابطة مصفوفة - ليفة ذات خصائص فيزيائية مختلفة إلى ظهور الضغوط داخلية بين مواد هذه الرابطة. من ناحية أخرى ، لتحقيق أقصى استفادة من الخصائص الميكانيكية والفيزيائية المتعارضة تمامًا للسيراميك والمعادن ، يتعين علينا تجميعها. يؤدي تطوير هذا التجميع (ثنائي المواد) في درجات حرارة عالية إلى حدوث ضغوط داخلية في المعدن والسيراميك بالقرب من واجهتهما. بالإضافة إلى الضغوط الناجمة أثناء العمل و المتزايدة بدورها ، فإن هذه الضغوط مسؤولة بشكل عام عن التلف المبكر للمواد المركبة بنوعيها. هذا السلوك يحد من استخدام هذه المواد في الصناعات الإستراتيجية. وبالتالي ، فإن تحليل هذه الضغوط له فائدة صناعية كبيرة. تتلاءم هذه الدراسة مع هذا السياق وتهدف إلى المساهمة في النمذجة العددية بواسطة FEM للتلف من خلال تشقق المواد المركبة المنتجة في درجات حرارة عالية. الهدف هو التنبؤ العددي بحجم المنطقة المتأثرة بهذه الضغوط. يتم تحليل هذه المنطقة من حيث اختلاف معايير انتشار الشقوق. المواد المستخدمة في هذه الدراسة هي أساسًا مواد ثنائية معدن -سيراميك وسيراميك- سيراميك بالإضافة إلى المواد المركبة ذات المصفوفات المعدنية. تظهر النتائج التي تم الحصول عليها أن طريقة انتشار الشقوق ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالضغوط الناتجة بالقرب من الواجهة. يشكل إضافة ضغوط التكليف إلى الضغوط الداخلية خطر عدم استقرار الشقوق في الأنماط الأول والثاني والثالث. تم إجراء هذا التحليل من حيث تباين عامل شدة الإجهاد ، في نهج مرن ، وتكامل J في نهج المطاط المرن. أظهر تحليل تجريبي، تم إجراؤه على مواد ثنائية المعدن والسيراميك، أن قوة الشد الميكانيكية للسيراميك المرتبط بالمعدن قد انخفضت بمقدار خمس مرات وانخفضت صلابة النمط الأول للسيراميك بنسبة 50٪. يرجع هذا التدهور في الخصائص بشكل أساسي إلى تفاعل المواد بين الواجهة. يتوافق بشكل جيد جدًا تحديد عمق المنطقة التالفة من السيراميك بشكل تجريبي عن طريق الماسح المجهري الإلكتروني مع تلك التي تم الحصول عليها رقميًا. تسمح المحاكاة العددية بواسطة FEM بالتنبؤ الجيد بمدى الضرر الذي يلحق بالسيراميك المرتبط بالمعادن. في النهج المطاطي المرن ، يكون عمق المنطقة المتأثرة بوجود الضغوط الداخلية أصغر بشكل ملحوظ من تلك الناتجة عن النهج المرن ، بغض النظر عن طبيعة المادة الثنائية. يؤدي إدراج الوصلات المعدنية ، أو FGMبين السيراميك والمعدن ، إلى استرخاء قوي للضغوط الحرارية للإنتاج وإلى الاختفاء التام لمنطقة تلف السيراميك. حيث لوحظ الغياب التام للتفاعل بين السطح والسيراميك.

---------------------------------------------- RESUME Les matériaux composés présentent un intérêt particulier pour l’industrie, ils se substituent de plus en plus aux matériaux traditionnels homogènes dans la plupart des applications industrielles. Pour améliorer les propriétés mécaniques de résistance d’un matériau (matrice) on est emmené à le renforcer par des matériaux de fortes rigidités sous forme de fibres ou de particules (renfort). Ce renfort s’effectue à des températures relativement élevées. Le refroidissement de la liaison fibre-matrice de propriétés physiques différentes conduit à la naissance dans ces deux protagonistes des contraintes résiduelles. D’autres parts, pour profiter au maximum des propriétés mécaniques et physiques diamétralement opposées des céramiques et des métaux, on est amené à les assembler. L’élaboration de cet assemblage (bimatériau) à des températures élevées, induit dans le métal et la céramique prés de leur interface des contraintes internes. Ajoutées aux contraintes de mise en service de plus en plus sévères, ces contraintes sont généralement responsables du dommage prématuré des matériaux composés de types composites et bimatériaux. Ce comportement limite l’utilisation de ces matériaux dans des industries stratégiques. Ainsi, l’analyse de ces contraintes est d’une grande utilité industrielle. Cette étude rentre dans ce contexte et vise à contribuer à la modélisation numérique par la MEF de l’endommagement par fissuration des matériaux composés élaborés à de hautes températures. L’objectif visé est la prédiction numérique de la taille de la zone affectée par ces contraintes. Cette zone est analysée en termes de variation des critères de propagation de fissures. Les matériaux utilisés dans cette étude sont essentiellement les bimatériaux types céramique-métal et céramique-céramique ainsi que les matériaux composites à matrices métalliques. Les résultats obtenus montrent que le mode de propagation des fissures est étroitement lié aux contraintes résiduelles induites près de l’interface. La superposition des contraintes de mise en service aux contraintes résiduelles constitue un risque d’instabilité des fissures en modes I, II et III. Cette analyse a été faite en termes de variation du facteur d’intensité de contraintes, en approche élastique, et d’intégrale J en approche élastoplastique. Une analyse expérimentale, menée sur les bimatériaux type céramique-métal, montre que la résistance mécanique à la traction de la céramique liée au métal a chuté de cinq fois et la ténacité en mode I de la céramique de 50%. Cette dégradation des propriétés est essentiellement due à l’interaction interface-matériaux. La profondeur de la zone endommagée de la céramique déterminée expérimentalement par microscopie électronique à balayage est en très bon accord avec celle obtenue numériquement. La simulation numérique par la MEF permet une bonne prédiction de l’étendue du dommage de la céramique liée au métal. En approche élastoplastique, la profondeur de la zone affectée par la présence des contraintes résiduelles est nettement plus faible que celle résultante de l’approche élastique et ce quelle que soit la nature du bimatériau. L’interposition de joints métalliques, ou de FGM entre la céramique et le métal conduit à une forte relaxation des contraintes thermiques d’élaboration et à la disparition entière de la zone de dommage de la céramique. Une absence totale de l’interaction interface-céramique est observée. ----------------------------------------------Abstract

Composed materials are of particular interest to industry; they are increasingly replacing traditional homogeneous materials in most industrial applications. To improve the mechanical strength properties of a material (matrix), it is necessary to reinforce it with high stiffness materials in the form of fibers or particles (reinforcement). This reinforcement takes place at relatively high temperatures. The cooling of the fiber-matrix link with different physical properties leads to the birth of residual stresses in these two protagonists. On the other hand, to make the most of the diametrically opposed mechanical and physical properties of ceramics and metals, we have to assemble them. The elaboration of this assembly (bimaterial) at high temperatures induces internal stresses in the metal and the ceramic near their interface. Added to the increasingly severe commissioning constraints, these constraints are generally responsible for the premature damage of composed materials (composite and bimaterial types). This behavior limits the use of these materials in strategic industries. Thus, the analysis of these constraints is of great industrial utility. This study fits into this context and aims to contribute to the numerical modeling by FEM of the cracking damage of composed materials produced at high temperatures. The objective is the numerical prediction of the weakened zone size by these constraints. This zone is analyzed in terms of variation of the crack propagation criteria. The materials used in this study are essentially bimaterials type ceramic-metal and ceramic-ceramic as well as composite materials with metallic matrix. The results obtained show that the crack propagation mode is closely related to the residual stresses induced near the interface. The superposition of the commissioning stresses on the residual stresses constitutes a risk of cracks instability in modes I, II and III. This analysis was done in terms of variation of the stress intensity factor, in elastic approach, and integral J in elastoplastic approach. An experimental analysis, carried out on ceramic-metal bimaterials, shows that the mechanical tensile strength of the ceramic bonded to the metal has dropped by five times and the mode I toughness of the ceramic by 50%. This degradation of properties is mainly due to the interface-materials interaction. In the case of elastic-plastic behaviour of the structure, it has been shown that the simulation results are coherent with the experimental findings. This indicates that FEM allows an accurate prediction and estimation of the weakening effect of residual stresses on the bonding interface of Alumina. In elastoplastic approach, the depth of the weakened zone affected by the presence of residual stress is significantly lower than that resulting from the elastic approach regardless of the bimaterials nature. The interposition of metallic joint, or of FGM between the ceramic and the metal leads to a strong relaxation of the residual stresses and to the complete disappearance of the weakened zone of the ceramic. A complete absence of the interface-ceramic interaction is observed.