Etude de l'endommagement de matériaux céramiques par choc thermique ascendant : comportement à la fatigue thermique et modélisation

par Panda Prasanta Kumar

Thèse de doctorat en Génie des matériaux

Sous la direction de Jean Dubois.

Soutenue en 1999

à Lyon, INSA .


  • Résumé

    Un nouveau dispositif de choc et de fatigue thermiques a été développé pour la caractérisation des céramiques. Il présente les avantages d'une montée en température rapide, la possibilité de mesurer la distribution de température de la zone chaude ainsi que de la zone périphérique de l'échantillon et d'une détection in situ de la rupture, toutes ces caractéristiques facilitant la modélisation. Les différents paramètres conditionnant la sévérité du choc thermique ont été étudiés. Nous avons ainsi montré que le flux de chaleur augmentait rapidement avec le flux d'hydrogène. La modélisation du choc thermique nous a permis d'étudier l'influence de différents paramètres relatifs aux matériaux. Le module élastique et le coefficient de dilatation thermique jouent un rôle direct, alors que le coefficient de Poisson affecte peu le champ de contrainte. Comme le modèle est basé sur la connaissance du champ de température en surface de l'échantillon, la valeur de conductivité thermique est inutile pour le calcul de la contrainte maximale. Le choc thermique a été étudié en utilisant différents échantillons de céramiques : alumine, nitrure de silicium, carbure de silicium et cordiérite. On constate que les contraintes thermiques calculées à partir de la mesure de ΔTc, sont comprises entre 60 et 70% des contraintes à rupture. Plusieurs raisons peuvent être invoquées pour expliquer un tel écart : la contrainte thermique maximale de tension est développée à la périphérie de l'échantillon (coté zone chaude) sur une couronne circulaire de 4 à 6 mm de largeur, l'arête de l'échantillon est donc comprise dans cette zone. De plus la surface et le volume sollicités sont donc supérieurs à ce qu'ils sont sur les éprouvettes de mesure de résistance par flexion. La distribution de température à la surface est délicate à mesurer précisément, puisqu'on doit notamment le faire en plusieurs essais. D'autre part l'émissivité de certains matériaux comme le nitrure peut évoluer au cours de ces différents essais. Pour résoudre les difficultés rencontrées, différentes améliorations peuvent être envisagées. On pourrait modifier le champ de contrainte pour que la Contrainte maximale soi t loin des angles de l'échantillon. Ceci pourrait être réalisé en fixant de façon rigide l'échantillon sur le support de cuivre. Les problèmes de mesures de température pourraient être simplifiés en permettant une mesure globale de la distribution instantanée, par exemple à l'aide d'une caméra I. R. , ou d'un dispositif de balayage. Enfin, pour valider plus finement Je dispositif et l'ana lyse, il serait nécessaire de tester des matériaux sur lesquels l'ensemble des propriétés physiques et mécaniques sciaient connues en fonction de la température.

  • Titre traduit

    = Study of thermal damage of ceramic materials by ascending thermal shock techniques : their thermal fatigue behaviour and modeling


  • Résumé

    The study relates to the fabrication and standardisation of suitable test equipment to study thermal shock and thermal fatigue of ceramic material and their modelisation. The developed test equipment consists of oxyhydrogen gas torch for heating, IR pyrometer for measurement of temperature of the hot zone and facility for insitu crack detection by AE technique. The equipment has a facility to carry out thern1al fatigue cycles in automation mode. The effect of heat input rate by changing oxygen/hydrogen gas ratio was studied. It was observed that the heat input rate increases rapidly with little increase in hydrogen flow rate. Similarly, the effect of different nozzle sizes of the flame torch and the distance of the nozzle from sample surface on heat input was studied. Little variation of the heating rate over a distance of 40 mm was observed. The emissivity of the materials was also measured. The AE parameters are selected suitably to detect micro-cracking and macro-cracking. The temperature measurement at different distances from centre of the sample on top surface was standardized by extrapolation method. The effect of different test and material parameters on thermal stress was studied by theoretical modelisation. It was observed that the thermal stress was very sensitive to the temperature distribution on hot face, Young's modulus and coefficient of expansion of the material and it is Jess sensitive to the Poisson's ratio. Interestingly, thermal conductivity of the sample is not directly affecting the thermal stress. This is because, the effect of thermal conductivity of the material is reflected on the temperature profile measured and extrapolated on the top surface. Thermal shock test was conducted by using different ceramic samples e. G. Ah03, SiC, Si3N4, cordierite etc. It was observed that the thermal stress at the failure lies between 60%-70% of their mechanical strength value measured by 4-point bend test or biaxial test. For comparison with mechanical strength, it is required to use a suitable temperature measurement facility, which could measure the total hot 7. Ne tempcrat11re simultaneously. The use of constant heat flux heating system within suitable mechanical constraints might help in generating the similar stress pattern as that of mechanical stressing.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (143p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. P

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2321)
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