Comportement à l'usure de pastilles de contacts électriques à matrice argent

par Alexandre Bonhomme

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Luc Rémy.

Soutenue en 2005

à Paris, ENMP .

mots clés

• Contacteur électrique
• Matrice argent
• Comportement mécanique
• Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)
• Métallurgie des poudres
• Arc électrique
• Dioxyde d'étain

Résumé

Les contacts électriques sont utilisés dans les disjoncteurs et contacteurs industriels. Ce sont des composites à matrice d'argent produits par la métallurgie des poudres. Ils s'érodent sous l'effet des arcs électriques apparaissant lors de l'ouverture ou de la fermeture sous courant du circuit. L'objectif de ces travaux était d'étudier cette érosion pour les composites Ag-C, Ag-WC et Ag-SnO2 et de la simuler pour la prédire. L'observation, au moyen de sections transversales, de pastilles de contacts ayant subi des nombres croissants d'arcs électriques nous a permis de décrire l'endommagement des contacts électriques et de proposer des grandeurs caractéristiques de cet endommagement. Nous avons ensuite réalisé des essais de traction, de traction/relaxation à diverses températures (jusqu'à 550°C) sur l'Ag-SnO2 afin d'identifier un modèle de comportement mécanique de ce composite industriel. Nous avons retenu un modèle élastoviscoplastique unifié de Lemaître & Chaboche doté d'une viscosité hyperbolique de Sellars-Teggart. Nous avons aussi réalisé des essais de propagation d'une fissure de fatigue pour identifier un modèle d'endommagement par fissuration de Forman prenant en compte la ténacité du matériau. Nous avons alors proposé une simulation thermomécanique des contacts électriques avec le code de calcul par éléments finis ZeBuLon afin d'accéder à l'état de contrainte dans le matériau au cours de l'impact d'un arc électrique sur sa surface. Une intégration de type « penny-shape », reposant sur une analyse des fonctions d'influence de Bueckner nous a permis d'identifier l'instant le plus endommageant au cours du cycle et d'élaborer un modèle de cumul de dommage

Titre traduit

Arc-induced degradation analysis of silver tin oxide, silver-graphite and silver-tungsten carbide electrical contacts.

Résumé

Electrical contact materials are used for power distribution and automation. Silver-base metal matrix composites produced using powder metallurgy routes are used and they are prone to electrical arc-induced degradation under make and break operations under high currentThis contribution aims at, first describing Ag-C, Ag-WC and Ag-SnO2 contact materials damage using OM and SEM observations and analysis. Tensile and stress-relaxation tests were performed from room temperature to 820K to model Ag-SnO2 constitutive behaviour using a unified elestoviscoplastic Lemaître and Chaboche law with sellars-Teggart hyperbolic viscosity fonction. Cyclic crack growth tests were also conducted at room temperature and high temperature to model crack growth behavior using a Forman law. A thermomechanical simulation using Zebulon FEA code was then conducted to access transient stress states after arc impact on Ag-SnO2 electrical contact surface. Numerical integration using Bueckner's weight functions were then performed to evaluate the most darmaging moment during break-only operations. This analysis made use of a linear elastic fracture mechanics model. A crack growth model was then proposed integrating crack growth rates in a penny shape geometry. Comparison of predictions with experimental results gives a satisfactory agreement.