Comportement thermomécanique de céramiques nanostructurées

par Rajaa Benzaid

Thèse de doctorat en Génie des matériaux

Sous la direction de Gilbert Fantozzi et de Jérôme Chevalier.

Soutenue en 2009

à Lyon, INSA .


  • Résumé

    Ce travail a été consacré d’une part l’étude des mécanismes de dégradation du nanocomposite 10Ce-TZP/30 vol% Al2O3 en termes de propagation de fissures sous sollicitation statique et cyclique, et d’autre part l’étude des propriétés thermomécaniques de nanocomposites Al2O3/SiC. Pour étudier le comportement mécanique et particulièrement la propagation sous-critique de fissures dans le nanocomposite 10Ce-TZP/30 vol% Al2O3, les courbes de propagation sous critique de fissures, V-KI (vitesse de propagation de fissure en fonction du facteur d’intensité de contrainte), ont été déterminées en réalisant des essais de double torsion dans différents environnements et sous chargement statique ou cyclique. La courbe V-KI dans l’air, fait apparaître les trois stades caractéristiques de la corrosion sous contraintes et un seuil de propagation KI0 de 4,5 MPa. M1/2. Cette étude a montré que le nanocomposite 10Ce-TZP/30 vol% Al2O3 constitue une alternative prometteuse de céramique à vocation biomédicale, du fait qu’il présente une ténacité et un seuil de propagation (sous chargement statique ou cyclique) plus élevés que ceux des céramiques monolithiques utilisées en orthopédie (alumine et zircone Y-TZP), ainsi qu’une excellente résistance au vieillissement. Les mécanismes de renforcement évoqués sont d’une part la transformation de phase de la zircone et d’autre part le pontagePour les nanocomposites Al2O3/SiC frittés naturellement ou par SPS, l’étude des propriétés mécaniques (contrainte à la rupture, dureté et module d’élasticité) à température ambiante a permis de déterminer l’influence de divers paramètres tels que la taille de grains et le taux du renfort. Les essais de fluage ont été conduits sous air en flexion 4-points entre 1200°C et 1400°C et sous une contrainte allant de 50 MPa jusqu’à 150 MPa. Les mécanismes de fluage, ainsi que ceux responsables de l’amélioration des propriétés à haute température ont été identifiés en corrélant une étude microstructurale menée (MEB, TEM) avec les paramètres de fluage (l’exposant de la contrainte n et l’énergie d’activation Q) obtenus. Les résultats ont montré que les propriétés mécaniques à température ambiante des composites Al2O3/SiC obtenus par frittage naturel sont plus faibles que celles des matériaux obtenus par frittage SPS. L’étude du comportement en fluage nous a montré que l’addition de nanoparticules de SiC à une matrice d’alumine renforce incontestablement le matériau en terme de résistance au fluage. Il est important de noter que même avec les microstructures non optimisées des nanocomposites Al2O3/SiC étudiés (porosité importante), nous avons obtenu des résistances au fluage très intéressantes. L’analyse des paramètres de fluage (exposant de contrainte et l’énergie d’activation) en corrélation avec l’étude microstructurale menée a montré que ce sont essentiellement des mécanismes faisant intervenir la cavitation et la microfissuration qui sont responsables de la déformation des l’alumine et des nanocomposites Al2O3/SiC.


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  • Détails : 1 vol. (151 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 146-151

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  • Cote : C.83(3506)
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