Modélisation de la fissuration lente d'une céramique technique de type ferrite

par Marc Romero de la Osa

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Rafael Estevez.

Soutenue en 2009

à Lyon, INSA .


  • Résumé

    Même s'ils ont été moins étudiés, les ferrites sont sensibles à la rupture différée dans le temps. Le processus de fissuration lente est caractérisé par une vitesse de propagation de fissure V qui augmente avec le niveau de chargement appliqué KI, De plus, la fissuration lente caractérisée par des courbes V-K est dépendante de la microstructure, notamment de la taille de grain, voire de la présence de défauts comme des porosités aux points triples. Les ferrites auxquels nous nous intéressons possèdent une microstructure hétérogène vis à vis de la taille des grains, avec des pores aux points triples. Une telle microstructure conduit à une dispersion des mesures de fissuration lente V-K telle, qu’aucune prédictions fiables de durée de vie est possible à partir d'études expérimentales uniquement. Le recours à la simulation s'avère nécessaire à la fois pour élucider l'influence de la microstructure sur la rupture différée dans le temps et in fine pour estimer la durabilité du matériau. Nous avons développé une description locale de la fissuration lente, à l'échelle de la microstructure. Dans le cadre d'une méthodologie des zones cohésives, à partir des observations et descriptions physico-chimiques disponibles et de calculs atomistiques récents, nous proposons un modèle cohésif viscoplastique pour mimer le mécanisme de réaction-rupture responsable de la fissuration lente. La description permet d'estimer des variations V-K conformes aux observations. Dans les simulations de la rupture intergranulaire des polycristaux pour un chargement de fatigue statique, nous observons que l'avancée de la fissure est discontinue dans le temps avec des vitesses différentes selon l'orientation des grains. Le franchissement des points triples ralentit la progression de la fissure. Nous montrons qu'il est nécessaire de tenir compte des contraintes d'origine thermique pour prédire une influence de la taille des grains.

  • Titre traduit

    = Modeling the slow crack growth on a ferrite technical ceramic


  • Résumé

    Although less studied, iron oxyde ferrites, like most ceramic materials are sensitive to delayed fracture. The slow crack growth (SCG) mechanism is characterised by a rising crack velocity with applied loading and also with temperature and humidity content. In addition, SCG is noticeably sensitive to microstructural effects as the variation of the grain size, and also influenced by the presence of some porosity at triple junctions. The ferrites under consideration in this study exhibit a heterogeneous microstructure with regions of variable grain size, and abundant porosities. Such a microstructure results in noticeable scattering in the measurements of the V-K characteristics from sample to sample, so that estimating the material's lifetime is not reliable. Thus,the development of a model for SCG and computational analyses are necessary to gain insight on the influence of the microstructure on the delayed rupture and ultimately to predict the material's durability. We have developed a local description of SCG, at the lengthscale of the microstructure. Within a cohesive zone methodology and based on available physics and on recent atomistic results, we propose a viscoplastic cohesive model that mimics the reaction-rupture mechanism underlying failure. The description is shown able to capture variations in the V-K predictions in agreement with the observations. From the simulations of intergranular failure under static fatigue, we observe a discontinuous crack advance in time, with different crack velocities depending on the local crack path. The crossing of the triple junction slows down crack propagation, and ultimately governs the average crack velocity. We evidence that account for the initial stresses originating from the process's cooling is necessary to predict an influence of the variation of the grain size in agreement with the observations. Simulation show that porosity at triple junctions are benefical for crack propagation resistance.

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  • Détails : 1 vol. (155 p.)
  • Annexes : Bibliographie en fin de chapitre

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3490)
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