Contribution à l’étude des mécanismes de fissuration des matériaux céramiques de type oxyde

par Kaiming Liang

Thèse de doctorat en Génie des matériaux - Microstructure et comportement mécanique et macroscopique des Matériaux

Sous la direction de Gilbert Fantozzi.


  • Résumé

    L'étude des mécanismes de fissuration est un des points importants de la science des matériaux. Elle fait intervenir à la fois la microstructure intrinsèque des matériaux et les conditions de sollicitation externe. Pour étudier l'influence de la microstructure sur ces mécanismes, nous avons décidé de choisir une large gamme de matériaux céramiques de type oxyde présentant différentes microstructures: différentes tailles de grains, présence éventuelle d'une phase dispersée, de microfissures préexistantes, ou de défauts ponctuels, systèmes cristallins cubiques ou non cubiques. Pour étudier l'effet de la sollicitation, plusieurs méthodes sont testées: essais mécaniques sur SENB {single edge notched beam), CVNB (chevron notched bearn), DT {double torsion} et Indentation. Les expériences sont faites sous air à températures ambiante et en milieu corrosif. La méthode d'indentation retient plus particulièrement notre attention afin d'observer les caractéristiques de la fissuration. Nous avons ainsi développé les points suivants: 1. Technique d'indentation: Un nouveau modèle de fissuration a été établi et une nouvelle formule universelle a été proposée. Cette formule permet de mesurer la ténacité d'un matériau fragile quels que soient la charge appliquée et le profil de fissures induit par l'indentation. Elle permet également de mesurer la ténacité de la surface d'un matériau. Par ailleurs, une autre formule a été développée pour evaluer la valeur du K1scc {le seuil du facteur d'intensité de contrainte dans un milieu donné) d'un matériau. 2. La fissuration par indentation pour différentes tailles de grains montre que le joint de grain résiste à la propagation de la fissure et de cette façon il renforce les matériaux céramiques non cubiques et élève la résistance à la propagation. 3. Une faible teneur en phase dispersée peut diminuer rapidement la taille de grains de la matrice et conduit donc à renforcer les matériaux et à ralentir la propagation de la fissure. 4. La fissuration peut être controlée par les défauts ponctuels. Un champ électrique ou une irradiation aux ultraviolets induisent des défauts et une fragilisation du matériau. Ces défauts dont la nature reste à identifier modifient les processus de relaxation des diélectriques polarisés sous contrainte mécanique et jouent donc un rôle important dans le bilan énergétique qui contrôle la propagation de la fissure. 5. Le renforcement des composites AI203-Zr02 par microfissuration dépend de la teneur en phase monoclinique des composites. Pour les composites renforcés par microfissuration, la fissure est déviée le long des interfaces particules de zircone -matrice d'alumine, ce qui augmente la ténacité mais diminue la résistance à la rupture. 6. Le renforcement des composites AI203-Zr02 par transformation martensitique dépend de la possibilité de la transformation de phase sous contrainte. Dans ce cas, la propagation de la fissure peut traverser les grains de zircone. Ce renforcement augmente la ténacité, élève la résistance à la rupture, et ralentit la vitesse de propagation des fissures.

  • Titre traduit

    = Investigation on cracking mechanism in oxide ceramic materials


  • Résumé

    The investigation on the cracking mechanism is very important for the materials science. It is related to the microstructure of materials and to the applied charge. For studying the influence of microstructure on the mechanism, we have decided to choose a large range of oxide ceramic materials containing different microstructures: different grain sizes, dispersed phase, pre existent micro cracks, point defects, cubic and non cubic crystalline systems. For studying the effect of applied charge, several experimental methods have been used: SENS (single edge notched bearn), CVNB (chevron notched beam), DT (double torsion) and indentation. The experiment has been done in air and in corrosive medium. We have especially studied the indentation method for proposing a universal formula, and investigated the crack characteristics for fining out the mechanism with microstructure. We have developed the following points: 1. The indentation technique has been developed. A new cracking model has been established and a new universal formula has been proposed. This formula can be used to calculate the fracture toughness of brittle materials in spite of the applied load and of the crack profile induced by indentation and it allows also to measure the fracture toughness of material surface. Moreover, an other formula has been developed for evaluating the values of Kiscc (threshold of stress intensity factor) of materials merged in corrosive environment. 2. The indentation crack for different grain sizes shows that the grain boundary resists the crack propagation so that it toughens the non cubic ceramic materials and increases the resistance of propagation. 3. A weak content of second phase can decrease rapidly the grain size of the matrix and lead to toughen the materials and to slow dawn the velocity of crack propagation. 4. The cracking is controlled by the point defects. The electric field or ultraviolet irradiation can induce some defects to bitten the materials. These defects whose nature is to be identified modify the relaxation process of polarized dielectrics under stress and play therefore an important role in the energy balance which contrats the crack propagation. 5. The toughening of the composites AI203·Zr02 by micro crack depends on the content of monoclinic phase in the composites. For the composites toughened by micro crack, the crack is deflected following the interfaces particles - matrix, so that to increase the fracture toughness but to decrease the rupture strength. 6. The toughening of the composites AI203-Zr02 by martensitic transformation depends on the phase transformation possibility of particles Zr02 under stress. Ln such case, the crack propagation can traverse the grain of zirconia. Such toughening increases the fracture toughness and the rupture strength, and slows dawn the velocity of crack propagation.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (206 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 85 LIA
  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(1222)
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