Damage mechanisms in SiC/SiC composite tubes : three-dimensional analysis coupling tomography imaging and numerical simulation

par Yang Chen

Thèse de doctorat en M?canique

Sous la direction de Karam Sab.

Soutenue le 22-11-2017

à Paris Est , dans le cadre de SIE - Sciences, Ing?nierie et Environnement , en partenariat avec Laboratoire Navier (Paris-Est) (laboratoire) et de Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205 (laboratoire) .

Le président du jury était G?rard Louis Vignoles.

Le jury était composé de Karam Sab, Herv? Trumel, Lionel G?l?bart, Camille Chateau, Michel Bornert.

Les rapporteurs étaient François Hild, James H. Marrow.

  • Titre traduit

    M?canismes d'endommagement des tubes composites SiC/SiC : analyse tridimensionnelle coupl?e par imagerie tomographique et simulation num?rique


  • Résumé

    Du fait de leurs propri?t?s physiques et chimiques exceptionnelles ? haute temp?rature par rapport aux m?taux, les composites de carbure de silicium (SiC) sont ?tudi?s comme ?ventuel mat?riau de gainage du combustible nucl?aire dans les r?acteurs de fusion ou fission avanc?e futurs, ainsi que, depuis plus r?cemment, dans les r?acteurs ? eau l?g?re existants. Les tubes composites SiC/SiC tress?s en 2D, fabriqu?s par proc?d? d'infiltration chimique en phase vapeur (CVI), pr?sentent un comportement m?canique anisotrope, faiblement d?formable (~ 1%). La ma?trise des relations entre la microstructure, l?endommagement et le comportement macroscopique est essentielle pour optimiser pr?cis?ment le dimensionnement structurel de ce mat?riau pour les applications envisag?es. Un param?tre de fabrication important est l'angle de tressage, angle entre les torons de fibres et l'axe du tube. L'objectif de ce travail est de fournir une compr?hension d?taill?e de la relation endommagement-microstructure, en particulier des effets de l'angle de tressage sur les m?canismes d?endommagement. Dans ce but, une ?tude combinant observations exp?rimentales ? macro et micro-?chelle et simulations num?riques est men?e. Les tubes composites sont d?abord ?tudi?s par des essais de traction in situ sous tomographie par rayons X. Les exp?riences ont ?t? r?alis?es sur la ligne PSICHE du synchrotron SOLEIL sous faisceau rose polychromatique. Les images tridimensionnelles sont analys?es par la technique de corr?lation d?image volumique (DVC), compl?t?e par une s?rie d'algorithmes de traitement d'image originaux, d?velopp?s sp?cifiquement pour analyser les microstructures 3D, mesurer les d?formations ? travers l'?paisseur du tube, d?tecter et caract?riser quantitativement le r?seau de microfissures cr??es par le chargement m?canique. De plus, les microstructures r?elles, d?crites par les images de haute r?solution issues des tests in situ, sont utilis?es dans les simulations num?riques multi-?chelle. Les champs de contrainte ? l??chelle microstructurale sont calcul?s en r?gime ?lastique par une technique utilisant la transform?e de Fourier rapide (FFT). Ils permettent de mieux comprendre l'initiation des fissures et d?interpr?ter les observations exp?rimentales par une comparaison directe. Ces approches exp?rimentales et num?riques sont appliqu?es ? trois tubes pr?sentant diff?rents angles de tressage (30 ?, 45 ? et 60 ?). L?influence de l'angle de tressage sur l'initiation et l'?volution de l?endommagement ? c?ur des composites est ainsi mise en ?vidence


  • Résumé

    Because of their outstanding physical and chemical properties at high temperature, in comparison with metals, silicon carbide (SiC) composite materials are studied as possible nuclear fuel cladding materials either for future advanced fission/fusion reactors, or more recently, for the currently existing light water reactors. 2D-braided SiC/SiC composite tubes, manufactured by chemical vapor infiltration (CVI), exhibit an anisotropic, hardly deformable (~1%) mechanical behavior. Understanding the relations between the microstructure, the damage mechanisms and the macroscopic behavior is essential to optimize the structural design of this material for the considered applications. One important manufacturing parameter is the braiding angle, i.e. the angle between the fiber tows and the tube axis. The objective of this work is to provide a comprehensive understanding of the damage-microstructure relations, in particular of the effects of the braiding angle on the damage mechanisms. For this purpose, an investigation combining experimental observations at macro and micro-scale and numerical simulations is developed. The composite tubes are first studied through in situ tensile testing under X-ray computed tomography. Experiments were carried out on the PSICHE beamline at synchrotron SOLEIL using a pink polychromatic beam. The recorded 3D images are processed using the digital volume correlation (DVC) technique, extended by a series of advanced image processing algorithms specifically developed in order to analyze the 3D microstructures, to measure the deformations through the tube thickness, and to detect and quantitatively characterize the network of micro-cracks created by the mechanical loading. In addition, numerical simulations are performed on the real microstructures as observed in the high-resolution images recorded during the in situ tests. Stress fields are calculated at the microstructural scale in the elastic regime using a numerical tool based on the Fast Fourier Transform (FFT). They help to better understand crack initiation and interpret the experimental observations within one-to-one comparisons. Both the experimental and numerical approaches are applied to three tubes with different braiding angles (30?, 45? and 60?). The effect of the braiding angle on the initiation and evolution of damage in the bulk of the composite materials can thus be highlighted


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