Etude des relations entre caractéristiques structurales et dissipation en vibration dans les verres métalliques massifs : application à des senseurs inertiels
par Cédric Haon
Thèse de doctorat en Génie des matériaux
Sous la direction de Jean-Marc Pelletier.
Soutenue en 2006
à Lyon, INSA .
mots clés-
Résumé
L’objectif de ce travail était d’évaluer l’amortissement de l’énergie mécanique des verres métalliques massifs, en utilisant un matériau modèle de composition Pd40Ni10Cu30P20, et d’analyser les mécanismes qui en sont responsables, dans le domaine du kilohertz à température ambiante pour un résonateur mécanique de géométrie simplifiée dont la dimension caractéristique est de l’ordre du millimètre. Dans ces conditions opératoires, la dissipation est liée à la thermoélasticité. Ce phénomène correspond au transport de chaleur résultant de la déformation élastique induite par la vibration. L’évaluation des potentialités de ces alliages métalliques amorphes en tant que résonateurs a nécessité la réalisation d’échantillons tests de forme adaptée ; cette étape préliminaire a été effectuée par coulée à la forme suivie de différentes opérations telles que des traitements thermiques et une étape d’usinage et de polissage. Le facteur de qualité Q, paramètre caractéristique de la dissipation en vibration, a ensuite été déterminé à partir de la mesure du décrément logarithmique de l’amplitude de vibration d’un échantillon de forme disque-tige mis en résonance suite à un choc. Les recuits au voisinage de la température de transition vitreuse ont conduit à augmenter le facteur de qualité de 0,3 million à 0,8 million. Cette amélioration n’est pas directement corrélée à la relaxation structurale du verre, caractérisée par diverses techniques (ATD, dilatométrie, spectroscopie mécanique…), qui se produit au cours du recuit. C’est la relaxation des contraintes résiduelles, formées lors du refroidissement rapide nécessaire à la vitrification, qui est responsable de cette évolution des propriétés vibratoires. Cependant, après vieillissement, la limite théorique thermoélastique n’est toujours pas atteinte et la question du mécanisme dissipatif limitant reste ouverte.
-
Titre traduit
= Study of the relations between structural characteristics and vibratory energy damping in bulk metallic glasses : Applications to inertial systems
-
Résumé
The aims of this work were to evaluate the damping of the mechanical energy in the bulk metallic glasses using the model alloy Pd40Ni10Cu30P20 and to analyze the damping mechanisms in the kilohertz frequencies range at ambient temperature for a mechanical resonator with simplified shape where the characteristic length is about 1 mm. In these practical conditions, energy dissipation is related to thermoelasticity. This phenomenon is due to the heat transfer in order to equilibrate local temperature changes generated by the elastic deformation during vibration. The study of amorphous metallic alloys as mechanical resonators involved manufacturing of specific parts ; this preliminary stage has been carried out by gravitational casting in an adapted mould followed by thermal treatments and machining / polishing. The quality factor, which is the characteristic parameter of the damping, has been measured from resonant experiments using the logarithmic decrement of the free vibrations for the disc-rod shaped pieces. The annealing around the glass transition temperature led to increase the quality factor from 0,3 million to 0,8 million. This improvement is not directly related to a physical transformation of the glass occurring during the thermal treatments : the structural relaxation, which has been characterized using different methods (DTA, dilatometry, mechanical spectroscopy). The modifications of the vibratory properties are attributed to the relaxation of residual stresses which are formed during the fast cooling essential to the glass formation. However, after aging, theoretical thermoelastic limit is not reached and the final damping mechanism is still to be identified.
