Fatigue des empilements de sphères creuses métalliques

par Olivier Caty

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Eric Maire.

Soutenue en 2008

à Lyon, INSA , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science - UMR 5510 (Rhône) (laboratoire) .

Le jury était composé de Eric Maire.

mots clés

• Mousses (matériaux)
• Tomographie
• Éléments finis, Méthode des
• Matériaux -- Fatigue

Résumé

Les empilements de sphères creuses sont constitués de coques métalliques minces de forme sphérique reliées entre elles par divers procédé. La structure résultante est un matériau cellulaire à architecture interne assez régulier et contrôlable possédant des propriétés multifonctionnelles. On peut, en particulier en jouant sur divers paramètre, comme l'épaisseur des parois et le diamètre des sphères, construire un matériau sur mesure. Il est alors nécessaire de parfaitement connaître les propriétés du matériau. Dans l'industrie aéronautique, les empilements de sphères creuses sont pressentis pour réduire le bruit en partie chaude de tuyère de turbomachine. Les propriétés à atteindre ainsi que les conditions d'utilisation imposent un matériau structurellement résistant et en particulier pouvant supporter des cycles de fatigue. L'objectif de la thèse est d'étudier les relations entre les paramètres structuraux du matériau et le comportement en fatigue résultant. Ceci grâce à une démarche d'expérimentation, observation, modélisation et validation. La tomographie aux rayons X fournit des images 3D du matériau. Ces images permettent dans un premier temps d'identifier les paramètres morphologiques de l'empilement. Les scans ont aussi été utilisées pour observer et quantifier la cinétique d'endommagement au cœur du matériau au cours de l'essai de fatigue. Parallèlement, de nombreux essais cycliques fournissent les durées de vie de divers échantillons. Ces données mettent en évidence l'importance du procédé de fabrication, du mode de sollicitation et de la densité des empilements sur le comportement en fatigue. Les observations et mesures sont utilisées pour la modélisation. Les images de tomographie sont tout d'abord maillées grâce à une méthode utilisant des éléments coques d'épaisseurs directement mesurées sur les images. Ces nouveaux calculs de microstructure par éléments finis permettent de déterminer de manières fidèle les champs de contrainte et de déformation dans l'ensemble de l'éprouvette. Pour traiter la fatigue, il est alors possible de traduire ces informations locales en durée de vie ou de réaliser une extension macroscopique déterministe. Cette extension a été réalisée grâce à des critères de proportion d'éléments plastifiés ou de taille de zone plastique. Ces modèles permettent ensuite de déterminer la limite de fatigue d'empilements générés numériquement et d'investiguer des paramètres structuraux non atteignable expérimentalement.

Titre traduit

= Fatigue of metal hollow spheres structures

Résumé

Metal hollow spheres can be piled up and soldered together to form a cellular material. The initial hollow spheres exhibiting a mono-disperse size and thickness, the resulting material is rather homogeneous. This kind of material allows a remarkable flexibility in terms of microstructural design. The thickness and diameter of the spheres, the nature of the metal used (nickel, steel. . . ) can be varied. This allows to tailor the microstructure in order to reach the target properties imposed by the design on the material. Before being able to tailor these properties and invent the material meeting a specific design (material by design), it is necessary to know the relation between the varying parameters and the resulting properties. This study aims at determining and modelling the effects of the microstructure of hollow spheres metals on their fatigue properties. Fatigue properties of a rather large range of metal hollow sphere structures were determined by mean of conventional fatigue tests. All the data were collected to build S-N curves. The constitutive material, the density, the thicknesses of the walls, the diameters and the fatigue loading mode were varied to determine the effect of each parameter. Tomographies of samples tested ex-situ reveal the different kinds of fatigue damage mechanisms and their influence on the macroscopic behavior. The three-dimensional X-ray tomographic images could also be used for meshing and to calculate the behaviour of the structure. This step has been done with a shell finite element model obtained from tomographic images. The model is enriched by a direct thickness measurement on the tomographic images. The values measured are affected to the shell elements. The model permits to determine the stress and strain field inside the microstructure. The fatigue behaviour has been modelled by post processing the proportion of yield elements and the size of yield areas. These models permit to determine the fatigue limit of numerically built hollow sphere structures and investigate parameters never experimentally studied.