Fatigue de composites à matrice métallique base titane à renfort unidirectionnel de fibres SiC

par Nicolas Legrand

Thèse de doctorat en Science et Génie des Matériaux

Sous la direction de Luc Rémy.

Soutenue en 1997

à l'ENSMP .


  • Résumé

    Ce travail a essayé de comprendre l'origine physique de la rupture en fatigue à haute température des composites à matrice métallique SCS6/TA6V, SM1140+/Ti6242 et SCS6/Ti6242. Le comportement en fatigue du matériau a été étudié selon deux orientations : longitudinale (axe de chargement parallèle à l'axe des fibres) et transversale (axe de sollicitation perpendiculaire à l'axe des fibres). En fatigue longitudinale, effectuée à 450 et 550°C sur le SCS6/TA6V, trois processus majeurs d'endommagement ont été identifiés : le report de charge global de la matrice aux fibres lié à son adoucissement cyclique, la dégradation locale des interfaces au droit des ruptures de fibres et la dégradation des propriétés à rupture du renfort par l'environnement. Les cinétiques d'endommagement de ces différents mécanismes ont pu être évaluées grâce à des observations et à l'émission acoustique. Un modèle micromécanique, prenant en compte le comportement statistique des fibres, a alors permis de confirmer et de quantifier l'influence de ces trois mécanismes d'endommagement sur la rupture en fatigue de composite. Il a ainsi été montré qu'à des niveaux de sollicitation suffisamment élevés (contrainte supérieure à 1000MPa), la dégradation locale des interfaces au droit des ruptures de fibres peut conditionner à elle seule la durée de vie en fatigue du composite. Enfin, en se basant sur les résultats expérimentaux d'émission acoustique, le modèle a permis, au moins semi quantitativement, d'être prédictif en cinétique d'endommagement et en rupture.


  • Résumé

    The primary objective of this work is to understand the physical origin of fatigue fracture at high temperature of metal matrix composites SCS6/Ti6-4, SM1140+/Ti6242 and SCS6/Ti6242. The fatigue behaviour of the material is studied in longitudinal (loading parallel to the fiber axis) and transverse (loading perpendicular to the fiber axis) orientations. In longitudinal fatigue, performed at 450 and 550°C on SCS6/Ti6-4 and SM1140+/Ti6242, three major damage mechanisms were identified : the global load transfer from matrix to fibers due to matrix cyclic softening (mechanism n°1), the local interfacial degradation close to broken (mechanim n°2) and the infuence of environment on mechanical fiber properties (mechanism n°3). Damage kinetics of these different mechanisms were identified experimentally using microscopic observations and acoustic emisson technic. A micromechanical modelling, taking into account of the statistical behaviour of fibers has confirmed and quantified influence of these mechanisms on fatigue fracture of the composite : with this model, it was demonstrated that for sufficiently high fatigue loadings (stress up to 1000 MPa), the local interfacial degradation near fiber failures may control fatigue life of the composite. At last, based on experimental acoustic emissions results, this modeling enables to predict both damage kinetics and rupture in fatigue. It is thus an interesting numerical tool to improve and optimize composite fatigue properties. As far as the transverse fatigue is concerned, it was determined in isothermal (at 600°C) and in non isothermal (between 200 and 600°C) conditions. In that orientation, damage mechanisms are due to interfacial debondings and slidings and oxidation of the carbon interface. A simple one dimensionnal "3 bars" model has been formulated (taking into account matrix viscoplasticity). It has demonstrated that cyclic viscoplasticity plays a key role in fatigue fracture along this orientation.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (162 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. [101-109]

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  • Bibliothèque : Mines ParisTech. Bibliothèque.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : EMP 147.331 CCL.TH 927
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