Etude experimentale et numérique du comportement à haute température d'un nitrure de silicium

Experimental and numerical study of the high-temperature behaviour of a silicon nitride

• Auteur / Autrice : Didier Croizet
• Direction : Michel Boussuge, Georges Cailletaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 1992
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : A. Gérard, J.L. Chaboche, J.L. Besson, P. Vivier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscoplasticité

Nitrure de silicium

Mots clés libres

Viscoplasticité

Essai flexion

Essai traction

Essai compression

Méthode élément fini

Contrainte interne

Effet non linéaire

Céramique

Matériau fritte

Matériau hétérogéne

Composé quaternaire

écoulement solide

Ecrouissage

Viscoplasticity

Bending test

Tensile tests

Compression test

Finite element method

Internal stress

Non linear effect

Ceramics

Sintered materials

Inhomogeneous materials

Quaternary compounds

Solids flow

Cold working

Résumé

Le matériau céramique que nous avons étudié est un nitrure de silicium obtenu par frittage naturel. Ce matériau biphase est constitué d'une phase principale correspondant à une solution solide de type Sialon et d'une phase secondaire cristallisée en grenat d'yttrium et d'aluminium après traitement thermique post-frittage. Le premier point de cette étude concerne la caractérisation mécanique du matériau à haute température avec une attention toute particulière à 1250 C. A cet effet, des essais de flexion 4 points, de traction et de compression ont été réalisés en utilisant la technique du dip-test. Ceux-ci ont mis en évidence un comportement viscoplastique, asymétrique en traction-compression avec apparition d'une contrainte interne lors du processus de déformation. Sur cette base expérimentale, une loi de comportement tridimentionnelle, viscoplastique, non associée, caractérisée par un critère d'écoulement de Drucker-Prager et une règle d'écrouissage cinématique, a été proposée. Le deuxième point concerne l'implantation de lois de comportement viscoplastique dans le code d'éléments finis Zébulon. Une formulation générale de ces lois a été définie dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. La plasticité y est traitée comme un cas particulier de la viscoplasticité. Cette formulation permet d'écrire un programme standard prenant en compte le comportement non linéaire d'une grande variété de matériaux tels que les métaux, les alliages, les roches, les sols ou les céramiques. L'utilisation d'une méthode d'intégration implicite, appelée thêta-Newton, permet l'évaluation d'une matrice tangente viscoplastique.

The ceramic material of this study was a pressureless sintered silicon nitride. It was a bi-phase material with a solid solution SiAION phase and a matrix phase crystallised into yttrium aluminium garnet by a post-sintering heat treatment. The first point of this study is concerned with mechanical properties of the material at high temperature with a special care at 1250°C. For this purpose, four-point bending, tensile and compressive tests were performed using the “dip-test” technique. They revealed a viscoplastic behaviour with an asymmetry in tension-compression and the evolution of an internal stress during the deformation process. Based on these experimental data, a multiaxial constitutive model was developed characterized by a non-associated flow rule with a Drucker-Prager criterion and a kinematic hardening rule. The second point is concerned with the implementation of viscoplastic laws in the finite element code ZéBuLoN. A general formulation of viscoplasticity was presented in the framework of the thermodynamics of irreversible processes. Plasticity was treated as a particular case of viscoplasticity. This formulation leads to a standard programme which allows the treatment of non-linear behaviour of a wide class of materials as metals, alloys, rocks, soil or ceramics. The “theta-Newton” time integration method was used and allows the computation of the consistent tangent matrix due to its implicit character.