Contribution à la modélisation théorique et numérique des essais d'indentation et de rayure

• Auteur / Autrice : Guillaume Kermouche
• Direction : Jean-Michel Bergheau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Lyon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayures (ornements)

Nanoindentation

Élastoplasticité

Résumé

En raison de leurs facilités de mise en oeuvre et de leurs caractères non destructifs, les essais d'indentation et de rayure sont depuis longtemps utilisés pour caractériser la rhéologie des matériaux en surface et les propriétés mécaniques des interfaces. Malgré leurs apparentes simplicités, l'interprétation mécanique des résultats d'un point de vue théorique est relativement complexe. L'objectif de ce travail est d'améliorer notre compréhension de ces essais par l'intermédiaire de modélisations analytiques simplifiées et de simulations numériques par éléments finis. La première partie porte sur l'essai d'indentation. Une solution approchée de l'indentation conique des solides élastoplastiques classiques est proposée et vérifiée à l'aide de simulations numériques. Les cas des solides à comportement dépendant du temps, viscoélasticité et élasto-viscoplasticité, sont ensuite traités et une extension de la solution élastoplastique à ce type de rhéologie est alors proposée. Une application expérimentale sur l'identification de la rhéologie locale du polyméthacrylate de méthyle (PMMA) par nanoindentation instrumentée est présentée. La seconde partie porte sur l'essai de rayure. Un algorithme de remaillage développé pour la simulation numérique de la rayure de matériaux massifs et revêtus est décrit. Celui-ci est ensuite utilisé pour qualifier la réponse des matériaux en rayure en fonction de leur rhéologie (écrouissage, viscoélasticité,. . . ). Nous appliquons ensuite les résultats précédents pour améliorer notre compréhension du problème de l'usure des crayons de grappe en centrale nucléaire. Finalement, nous concluons sur l'apport de la modélisation numérique à la résolution des problèmes de mécanique des surfaces.

Indentation and scratch tests are non destructive local tests. Therefore they are very used to measure the local rheology of materials near the surface and to characterize the mechanical properties of interface. Despite their apparent simplicity, the theoretical mechanical analysis of the results obtained with such tests is very complex. The aim of this work is to improve our comprehension of these tests with the help of simplified analytical models and finite element modeling. The first part of this document is related to indentation testing. An approximate solution of the cone indentation of strain-hardening von Mises elastoplastic solids is proposed and checked with the help of finite element modeling. Time dependent solids, such as viscoelastic and elastic-viscoplastic solids, are then studied and the elastoplastic solution is extended to the case of Bingham-Norton elastic-viscoplastic materials. Finally, a nano-indentation identification method of mechanical properties of materials is proposed and applied to the mechanical characterization of glassy polymers. This method is then applied to PMMA. The second part of this document is related to scratch testing. A remeshing algorithm based on nodes repositioning has been specially developed for the finite element modeling of the scratch of coated and uncoated materials. This algorithm is then used to qualify the behavior of elastoplastic materials and time-dependent solids under scratching loading. These results are then applied to improve our comprehension of the impact-sliding wear of a stainless steel in nuclear reactor. Finally, a conclusion is brought discussing the use of finite element analysis to solve problems related to surface mechanics.