Étude des relations microstructure/propriétés de réfractaires magnésie-spinelle : détermination expérimentale et simulation

Structure/property relations of magnesia-spinel refractories : experimental determination and simulation

• Auteur / Autrice : Renaud Grasset-Bourdel
• Direction : Marc Huger, Thierry Chotard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Limoges
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fours à ciment

Résistance des matériaux

Micromécanique (physique du solide)

Traitement thermomécanique

Matériaux réfractaires

Mots clés libres

Microfissures

Magnésie-spinelle

Méthode homogénéisation

Modèle numérique endommagement

Résumé

Cette thèse avait pour objectif d’étudier les relations existant entre la microstructure de matériaux réfractaires et leurs propriétés thermomécaniques, et, en particulier, à mieux comprendre les paramètres microstructuraux clés permettant de développer un comportement mécanique non-linéaire. A partir de la distribution granulométrique de matériaux magnésie-spinelle industriels, utilisés dans les fours rotatifs de cimenterie pour leur résistance aux chocs thermiques, des matériaux biphasés simplifiés, constitués d’une matrice de magnésie et d’inclusions de spinelle, ont été élaborées en intégrant différentes teneurs en inclusions. Le différentiel de dilatation thermique entre le spinelle et la magnésie induit, pendant le refroidissement, de la microfissuration matricielle autour des inclusions de spinelle. La partie expérimentale de cette étude a permis de clarifier, et de quantifier, le développement de l’endommagement thermique au sein de ces composites magnésie-spinelle durant l’étape de refroidissement, en relation avec leur teneur en inclusions de spinelle. L’influence de cet endommagement thermique sur la non-linéarité du comportement mécanique de ces composites a, ensuite, été étudiée. L’objectif principal de la partie numérique était de construire un modèle 3D, par méthode éléments finis, capable de décrire la microfissuration au sein de ces matériaux magnésiespinelle pendant l’étape de refroidissement post-frittage (haute température = état de contraintes nulles), et pouvant entraîner, après cette étape, un comportement mécanique macroscopique non-linéaire. La conception de Volumes Elémentaires Représentatifs (V. E. R. ) simples, mais quasi-isotropes, associée à l’utilisation d’une méthode d’homogénéisation périodique, et à la mise en oeuvre d’un modèle d’endommagement anisotrope, ont permis de simuler localement la microfissuration matricielle autour des inclusions pendant le refroidissement, ainsi que la croissance de l’endommagement au sein du volume pendant l’essai de traction. Ainsi, les évolutions globales de paramètres simulés homogénéisés, aussi bien pendant le refroidissement que pendant l’essai de traction, se sont avérées être en bon accord avec des résultats expérimentaux obtenus à l’échelle macroscopique.

The present thesis aimed at investigating the relationships which exist between the microstructure of refractories and their thermomechanical properties, and especially, better understanding the microstructure key-points allowing to develop a non-linear mechanical behaviour. From the grain size distribution of industrial magnesia-spinel materials, used in cement rotary kilns for their thermal shock resistance, simpler two-phase materials, composed of a magnesia matrix and spinel inclusions, were elaborated with different spinel contents. The thermal expansion mismatch between spinel and magnesia induces, during cooling, matrix microcracking around the spinel inclusions. The experimental part allowed to clarify, and quantify, the thermal damage occurrence during the cooling stage within these magnesia-spinel composites, in relation with their spinel inclusions content. Then, the influence of this thermal damage on the non-linearity of the mechanical behaviour of these composites was studied. The main objective of the numerical part was to build a consistent 3D FEM model able to well depict the microcracks occurence within these magnesiaspinel materials during a uniform temperature decrease beginning at high temperature (stress-free state) and able to provide, after this cooling step, a macroscopic non-linear mechanical behaviour. The design of simple, but quasi-isotropic, Representative Volume Elements (R. V. E) by periodic homogenisation, and the use of an anisotropic damage model, with a regularisation method, have allowed to simulate, locally, the matrix microcracking around the inclusions during cooling, and the damage growth in the volume during a subsequent tensile test. Moreover, the global evolutions of homogenised simulated parameters, during both the cooling stage and the tensile test, were in good agreement with previous macro-scaled experiments results.