Caractérisation des propriétés mécaniques locales aux interfaces dans les matériaux hétérogènes

Characterization of the local mechanical properties of interfaces in heteregeneous materials

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Giouse
• Direction : Christophe Tromas, Ken W. White
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses, Matériaux et Composants
• Date : Soutenance le 10/09/2018
• Etablissement(s) : Poitiers en cotutelle avec University of Houston
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Pradeep Sharma
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Tromas, Ken W. White, Ludovic Thilly, Yashashree Kulkarni, Marc Bird
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Krishnaswamy Ravi-Chandar, Robert Vajtai

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces (sciences physiques)

Nanoindentation

Composites

Mots clés libres

Interfaces

Matériaux composites

Projection par flamme supersonique

Revêtements cermet

Mousses d'aluminium

Propriétés mécaniques locales

Cartographie par nanoindentation

Tomographie à rayons X

Microscopie électronique à balayage

Microscopie électronique en transmission

Interfaces

Composites materials

High Velocity Oxy Fuel (HVOF)

Cermet coatings

Aluminum foams

Local mechanical properties

Microstructure

Nanoindentation cartography

X-Ray tomography

Scanning electron microscopy

Transmission electron microscopy

Résumé

L’étude des interfaces est omniprésente en sciences des matériaux étant donné qu’elles sont à l’origine de nombreuses propriétés magnétiques, électriques, optiques ou mécaniques. Cette étude tente d’éclaircir le rôle des interfaces dans la définition des propriétés mécaniques des matériaux à travers deux applications industrielles pour lesquels la notion d’interface est cruciale. Tout d’abord, nous nous sommes intéressés à la problématique d’adhésion dans les systèmes revêtus via la caractérisation de la dureté et de la microstructure d’un substrat en acier 17-4PH dont la surface a été sablée avant d’y déposer un revêtement cermet par projection par flamme supersonique. La dureté a été mesurée par nanoindentation alors que les microstructures ont été observées par microscopies optique et électronique. Les résultats ont démontré un effet important du sablage sur la microstructure et la dureté du substrat à l’interface illustrant de potentielles conséquences néfastes sur l’adhésion du film. Ensuite, à la lumière des résultats récoltés, une méthode similaire a été applique à la caractérisation d’une mousse d’aluminium. Cependant, la mousse s’est révélée être un matériau beaucoup plus complexe qui nécessite de suivre une approche multi échelles. La structure et la microstructure de la mousse ont été caractérisées par plusieurs techniques pour prendre en compte la nature multi échelles du matériau. De même, différentes techniques ont été utilisées pour caractériser les propriétés mécaniques. Les résultats ont révélé un matériau particulièrement inhomogène à toutes les échelles se traduisant directement par des propriétés mécaniques également inhomogènes. Ainsi, il y a une interdépendance claire des différentes échelles, qui une fois révélée, permet d’avoir une compréhension plus globale des propriétés mécaniques de la mousse.

The notion of “interface” is a universal topic of research in material sciences. Interfaces are responsible for many of the magnetic, electrical, optical and mechanical properties of materials and therefore need to be characterize. The focus of this work is to bring a new understanding of the interfacial mechanical properties of materials by characterizing two industrial components which properties are governed by their interfaces. First, we address the notion of coating and adhesion by characterizing the hardness and microstructure of a 17-4PH steel substrate subjected to a grit blasting surface treatment followed by the deposition of a cermet coating by high velocity oxy-fuel (HVOF). The hardness was characterized using nanoindentation and the microstructure were imaged by optical and electron microscopy. The results showed a strong impact of the surface treatment on the interfacial microstructure and hardness of the substrate revealing a potential weakening of the interfacial adhesion because of it. Then, in light of the results gathered, a similar method was applied to the characterization of an aluminum foam. However, the aluminum foam is a much more complex material and requires a multiscale approach. The structure and microstructures were characterized by several techniques to account for the multiscale nature of the material. Similarly, the mechanical properties were determined by diverse procedures. The results unveil a particularly inhomogeneous material at all scales resulting in non-uniform mechanical properties. The strong interdependence of the macroscopic and microscopic properties is highlighted and gives a better understanding of the mechanical behavior of the foam.