Influence de la microstructure sur le comportement à la rupture et la résistance au choc thermique des matériaux carbones : Influence of microstructure on fracture behaviour and thermal shock resistance of carbon-based materials

par Bénédicte Allard (Arnould)

Thèse de doctorat en Microstruture et comportement mécanique et macroscopique des matériaux. Génie des matériaux

Sous la direction de Dominique Rouby.


  • Résumé

    Les matériaux carbones industriels sont constitues d'un agglomérat de grains et de liant. Les grains sont a base d'anthracite calcine ou de matériaux graphite; le liant est du brai de houille. Cuits a environ 1100#oc, ces produits sont ensuite employés comme revêtements dans les fours et hauts fourneaux et comme cathodes dans les cuves d'électrolyse de l'aluminium. Ils sont donc soumis à des sollicitations mécaniques et thermiques. L'objet de ce travail est l'étude des mécanismes d'endommagement sous contrainte mécanique et thermique, de ces matériaux. En particulier nous avons analyse l'effet de la microstructure sur la résistance à la propagation de fissures de divers produits. Le suivi de l'émission acoustique en cours d'essai de rupture a permis de préciser certaines influences des différentes phases de la microstructure, notamment en ce qui concerne la nature des grains et le taux d'anthracite. Ces analyses ont été complétées par des observations microscopiques des chemins de fissuration et des faciès de rupture. Nous avons pu ainsi dégager les caractéristiques schématiques de la microstructure de matériaux carbones présentant un faible et une forte résistance à la propagation de fissure. Par ailleurs, en vue de classer les matériaux en terme de résistance au choc thermique, nous avons mis au point un test base sur un impact laser tire au centre de disques. L'émission acoustique enregistrée pendant et après l'impact est associe à l'évolution et à la micro fissuration des produits soumis à des températures de cuisson. Il ne se produit pas réellement d'endommagement du au choc thermique de cette méthode n'est donc pas satisfaisante. Une comparaison des matériaux par les différents critères théoriques de résistance au choc thermique est effectuée et il semble au vu des applications concernées qu'on doive rechercher une bonne résistance à l'endommagement sous choc thermique


  • Résumé

    Industrial carbon-based materials are composed of grains and binder. The grains are based on calcined anthracite or coming from graphite materials; the binder is coal-tar pitch. The materials are heattreated at around 1100°C. They are used as linings in chemical and blast furnaces and as cathodes in aluminium smelters. Consequently they are submitted to severe mechanical and thermal conditions. This work is concerned with the study of damage mechanisms under mechanical and thermal stresses in theses materials. The effect of microstructure on crack growth resistance of a wide variety of materials bas been analysed. The complementary study of acoustic emission occurring during fracture tests bas shown some particular influence of microstructure, especially grain nature and anthracite content. These results have been confirmed with microscopic observations of crack pathes and crack surfaces. A model of the schematic microstructure of carbon materials having a weak and a strong crack growth resistance, proposed. Besides a thermal shock procedure bas been studied, in order to be able to classify carbon materials in terms of their thermal shock resistance. It is based on a laser bit at the centre of discs. Acoustic emission recorded during and after laser bit is related to the materials transformation and micro cracking, as the materials are submitted to temperatures higher th an their processing one. No real thermal shock damage occurs and consequently this test is not satisfactory. A comparison of the different materials with the various theoretical thermal shock parameters is made and it seems that, in view of the kind of applications considered, it is the thermal shock damage resistance that bas to be improved.

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  • Détails : 1 vol. (197 p.)
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