Structure et propriétés mécaniques d'empilements aléatoires de sphères creuses : caractérisation et modélisation

Structure and mechanical properties of hollow spheres foams : characterization and modelling

• Auteur / Autrice : Alexandre Fallet
• Direction : Yves Bréchet, Luc Salvo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Mots clés

Mots clés contrôlés

Empilements de sphères

Mots clés libres

Matériaux cellulaires

Tomographie à rayon x

Résumé

Les empilements de sphères creuses sont constitués de coques métalliques minces de forme sphérique reliées entre elles par un contact solide. Ce sont des matériaux cellulaires, à architecture interne, présentant une porosité mixte et qui possèdent des propriétés multifonctionnelles (mécanique, acoustique, thermique). L'objectif de cette thèse est d'étudier et de caractériser la structure et l'architecture des empilements afin d'établir le lien avec les mécanismes de déformation et les propriétés mécaniques effectives du matériau. Les travaux effectués se divisent en trois parties. Caractérisation structurale : La structure et l'architecture interne de différents types d'empilements de sphères creuses en nickel et en acier inoxydable ont été examinées par tomographie aux rayons X. L'analyse des images 3D obtenues permet de caractériser précisément les paramètres structuraux des empilements, tels que les distributions de diamètre et d'épaisseur des sphères, la taille et le nombre de contacts entre sphères. L'impact du procédé d'élaboration sur la structure finale du matériau a également été mis en évidence. Comportement et propriétés mécaniques expérimentales : Le comportement macroscopique des empilements a été étudié par la réalisation d'essais de compression simple. Ils ont notamment permis de déterminer les propriétés effectives (module d'élasticité, limite d'élasticité, module d'écrouissage) et d'établir une loi d'évolution phénoménologique de ces propriétés sous la forme d'une loi en puissance de la densité des empilements. De plus des essais in-situ en tomographie aux rayons X ont été effectués afin d'identifier au coeur de l'échantillon les mécanismes qui gouvernent la déformation et la ruine des empilements. Modélisation numérique : Une méthode de modélisation mixte, par éléments finis et éléments discrets, a été développée pour simuler le comportement mécanique des empilements et calculer leurs propriétés effectives. Des simulations par éléments finis sur un couple de sphères creuses sont effectuées pour déterminer les lois de contact entre deux sphères. Ces relations sont ensuite intégrées dans un calcul par éléments discrets qui permet de déterminer le comportement de l'ensemble de l'empilement et ainsi de proposer des lois d'échelles reliant les propriétés mécaniques macroscopiques aux paramètres structuraux du matériau.

Hollow spheres foams are cellular solids with open and closed porosities. They are made of thin spherical shells bonded by a solid contact. Ln the framework of Materials by Design it is fundamental to investigate how the internai architecture of the material affects the mechanical properties. Firstly the structural characterization of the foams has been performed by Xray tomography and 3D images analysis. Then the mechanical behaviour is studied experimentally by compression tests in order to assess the macroscopic properties according to the density of the foam. Moreover the mechanisms which rule the deformation of the material are identified by Xray tomography in-situ compression tests. Finally a numerical model with finite element analysis and discrete element method has been developped to simulate the mechanical behaviour of the foam. Scaling laws which link the macroscopic properties with the structural parameters are expressed.