Endommagement et microfissuration d’un composite à matrice céramique tissé 3D : approchemulti-échelle et évaluation ultrasonore

par Edith Grippon

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Stéphane Baste, Christophe Aristégui et de Éric Martin.

Soutenue le 21-11-2013

à Bordeaux 1 , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (laboratoire) et de Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux / I2M (laboratoire) .

Le président du jury était Olivier Allix.

Le jury était composé de Florent Bouillon, Frédéric Laurin.

Les rapporteurs étaient Gérard Bernhart, Pascal Reynaud.

mots clés

• Composites à matrice céramique
• Caractérisation ultrasonore
• Modélisation multi-échelle
• Endommagement
• Microfissuration
• Composites à matrice céramique -- Fissuration
• Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)
• Imagerie ultrasonore
• Algorithmes génétiques
• Analyse multiéchelle

Résumé

Le comportement mécanique non linéaire des composites à matrice céramique SiC/SiC tissés 3D résultede la microfissuration de ses constituants fragiles. Cet endommagement induit une variation descomposantes du tenseur de rigidité. La caractérisation ultrasonore de ce tenseur a nécessité l’utilisationd’un algorithme d’optimisation génétique robuste à un mélange prononcé des modes acoustiques. Le suivisous charge de ces propriétésmacroscopiques a conduit à identifier les mécanismes d’endommagement etles réseaux de fissuration. Trois régions de microfissuration matricielle : inter-fils, intra-fils transversaux etintra-fils longitudinaux, ont été localisés par analyse micrographique. Les densités associées ont été corréléesaux cinétiques d’endommagement mesurées par ultrasons, reliant la réponse macroscopique dumatériauà son endommagement microstructural. L’introduction de ces réseaux et de leur cinétique d’évolutiondans une modélisation multi-échelle du composite, a permis de confirmer les variations expérimentales desrigidités et d’accéder aux longueurs de décohésion de chaque réseau, quantités difficilement mesurables.

mots clés

• Ceramic matrix composites
• Ultrasonic method of characterisation
• Multi-scale modeling
• Damage
• Microcrack

Titre traduit

Damage and microcraking of a 3D woven ceramic matrix composite : multi-scale approach and ultrasonic evaluation

Résumé

The non-linear mechanical behaviour of CMC involves the initiation and growth of micro-cracks. Ata macroscopic scale, mechanisms of damage can be associated with changes in the stiffness tensor components.By using an ultrasonic device coupled with a tensile machine, a spectro-interferometry methodallows the characterisation of materials during their damaging and thus, the measurement of the state ofmaterial cracking. Ultrasonic test results have yielded a typical behaviour of the 3D SiC/SiC composite. Twoarrays of multi-scale cracks are detected: i) crack perpendicular to the load, i.e., the transverse cracking, ii)debonding on interfaces yarn / matrix or fibre / matrix. The simultaneous use of ultrasonic characterisationresults and micrographic observations under load lead to make assumptions about the kinetics of crackingof these materials: i) transverse matrix cracking between yarns, ii) superimposed on the transverse crackingof transversal yarns, iii) when those both arrays of cracking saturate, transverse cracking reaches the longitudinalyarns. This microscopic cracking array is coupled to matrix/fibre debonding. The micrographicobservations made during a tensile test have been used to estimate the density of transverse cracking versusthe applied stress. The lengths of the decohesion are not measured but can be estimated by comparisonwith amulti-scale modelling.