CARACTERISATION PAR ANALYSE STATISTIQUE DE LA RESISTANCE A LA RUPTURE

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Introduction ร  la modรฉlisation de la rupture fragile

De nombreux logiciels de calcul de la probabilitรฉ de rupture de structures ont รฉtรฉ mis au point. Le logiciel le plus connu par les industriels est Weibull++ยฎ. Il permet de dรฉterminer les paramรจtres de Weibull ร  partir dโ€™une distribution de valeurs expรฉrimentales dโ€™une variable dรฉfinie. Il peut sโ€™agir des valeurs de contraintes ร  la rupture ou du temps de fonctionnement avant rupture dโ€™un produit. Il est essentiellement dรฉdiรฉ ร  lโ€™ingรฉnierie de fiabilitรฉ.
Dโ€™autres logiciels sont spรฉcifiquement dรฉdiรฉs ร  lโ€™รฉtude de la prรฉdiction de rupture de structures mรฉcaniques. Ils sont principalement basรฉs sur le modรจle de Batdorf ou sur le modรจle de Weibull et sur la mรฉthode des รฉlรฉments finis. Le calcul de la probabilitรฉ de rupture est rรฉalisรฉ en post-traitement. Le problรจme thermomรฉcanique est modรฉlisรฉ puis simulรฉ. Le champ de contrainte obtenu est ensuite analysรฉ par le modรจle de rupture fragile choisi pour calculer la probabilitรฉ de rupture de la structure. Il existe plusieurs logiciels dont certains dรฉveloppรฉs en laboratoire, par exemple : CERAM et CARES/LIFE.
Le logiciel CERAM [76] est construit sur le modรจle de la contrainte รฉlรฉmentaire multiaxiale. Il intรจgre aussi le modรจle de Weibull et permet de rรฉaliser des comparaisons entre les deux distributions pour un mรชme problรจme mรฉcanique. Il est uniquement dรฉdiรฉ ร  la prรฉdiction de la rupture. La dรฉtermination des paramรจtres de Weibull doit รชtre rรฉalisรฉe a priori par lโ€™une des mรฉthodes de la section 1.II.5.
CARES/LIFE [120] utilise le modรจle de Weibull et celui de Batdorf pour calculer la fiabilitรฉ dโ€™une structure. Le logiciel inclut la mรฉthode du maximum de vraisemblance pour dรฉterminer les paramรจtres de la distribution statistique. Il utilise le critรจre de la contrainte principale maximale et le principe dโ€™indรฉpendance des actions.
Il est possible dโ€™ajouter ร  des codes de calculs existants (Abaqusยฎ, Nastran, etc..) et nโ€™intรฉgrant pas le calcul de la probabilitรฉ de rupture, des sous-programmes effectuant un travail similaire aux logiciels spรฉcifiquement dรฉdiรฉs ร  lโ€™analyse de la probabilitรฉ de rupture. Lโ€™avantage des sous-programmes est la libertรฉ de choix. En effet, alors que les logiciels dรฉdiรฉs imposent un ou des modรจles, cette mรฉthode permet de crรฉer un programme ร  partir dโ€™un modรจle dรฉsirรฉ. Le choix dโ€™un critรจre de contrainte รฉquivalente et dโ€™une approche volumique ou surfacique est aussi possible. Ce type de dรฉmarche est souvent disponible et explicitรฉe dans les mรฉmoires de thรจse.
Par exemple, Hild [41] a mis en place, dans un premier temps, une approche locale de la rupture fragile, couplรฉe avec des phรฉnomรจnes dโ€™endommagement. Il a pu identifier, ร  partir de retours dโ€™expรฉrience industriels, la taille des dรฉfauts lors de la rupture dโ€™une structure. Cela lui a permis de crรฉer un modรจle basรฉ sur un dรฉfaut reprรฉsentatif de forme sphรฉrique. Lโ€™auteur a ensuite pu รฉtudier lโ€™influence de la concentration des dรฉfauts sur la probabilitรฉ de rupture, ร  la fois leur nombre dans un volume donnรฉ et les effets de la concentration de dรฉfauts dans une partie du matรฉriau.
Dans un second temps, Hild sโ€™est consacrรฉ au calcul de la probabilitรฉ de rupture dโ€™une structure ร  partir du modรจle de Weibull et dโ€™un modรจle basรฉ sur une fonction de densitรฉ de dรฉfauts quโ€™il a proposรฉe ร  partir de ses rรฉsultats expรฉrimentaux (fonction bรฉta de la section 1.II.3.3). Les deux modรจles sont utilisรฉs avec le critรจre de la contrainte principale maximale. Il a รฉtudiรฉ lโ€™influence des diffรฉrents paramรจtres de sa fonction de densitรฉ de dรฉfaut sur la probabilitรฉ de rupture et des effets de volume.
Deschaux-Beaume [121] a rรฉalisรฉ des simulations par la mรฉthode des รฉlรฉments finis en utilisant le logiciel POLLUXยฎ pour le cas de cรฉramiques ร  base de nitrure de silicium utilisรฉes pour des outils de matriรงage isotherme. Le modรจle de Weibull a รฉtรฉ utilisรฉ avec le critรจre de la contrainte principale maximale dans un premier temps, puis avec celui de la contrainte รฉquivalente de Freudenthal. Les rรฉsultats obtenus รฉtaient sensiblement les mรชmes pour les deux critรจres. Le modรจle a รฉtรฉ validรฉ par comparaison avec des essais expรฉrimentaux. Lโ€™auteur a aussi montrรฉ que le nombre dโ€™รฉlรฉments du modรจle impactait la valeur de la probabilitรฉ de rupture de la structure modรฉlisรฉe. A noter que la modรฉlisation reposait sur le principe de la surface รฉquivalente donc sur une approche surfacique de la rupture.
Nazaret [92] a intรฉgrรฉ au code de calcul Abaqusยฎ des sous-programmes de calcul de la probabilitรฉ de rupture dโ€™une structure basรฉ sur le modรจle de Weibull et sur la contrainte รฉquivalente de Freudenthal. Le modรจle avait รฉtรฉ notamment utilisรฉ dans le cadre du dimensionnement de matrices en cรฉramique. Les effets de volume avaient รฉtรฉ รฉtudiรฉs, ainsi que lโ€™impact sur la probabilitรฉ de rupture du type dโ€™รฉlรฉments choisis pour la modรฉlisation. Il avait dรฉmontrรฉ que le type dโ€™interpolation, linรฉaire ou quadratique, pour des problรจmes mรฉcaniques ร  deux dimensions, influe sur la valeur de la probabilitรฉ de rupture. Lโ€™erreur sur lโ€™estimation de la probabilitรฉ de rupture รฉtait plus faible avec des รฉlรฉments ร  interpolation quadratique quโ€™avec des รฉlรฉments ร  interpolation linรฉaire.

Caractรฉrisation par analyse statistique de la rรฉsistance ร  la rupture
Essais de flexion quatre points
Il est difficile de caractรฉriser le comportement de matรฉriaux ร  rupture fragile ainsi que leurs propriรฉtรฉs mรฉcaniques par une analyse dรฉterministe ร  cause de la grande dispersion des contraintes ร  la rupture gรฉnรฉralement observรฉes sur ce type de matรฉriau. Une analyse statistique est alors nรฉcessaire. Dans le cadre de la prรฉsente รฉtude, la thรฉorie de Weibull a รฉtรฉ choisie. La flexion 4 quatre points a notamment รฉtรฉ mise en ล“uvre pour caractรฉriser le comportement fragile du matรฉriau et de permettre de dรฉterminer les paramรจtres de Weibull, caractรฉrisant le comportement fragile du matรฉriau รฉtudiรฉ.
Lโ€™ensemble des campagnes dโ€™essais de flexion quatre points a รฉtรฉ rรฉalisรฉ sur une machine รฉlectromรฉcanique Instron de modรจle 5800R avec une cellule de force de 30kN. Un montage articulรฉ de flexion quatre points/trois points de la sociรฉtรฉ Discaptelec a รฉtรฉ utilisรฉ. (Figure 17).
Ce montage rรฉpond ร  la norme NF 843-1 [119]. Tous les appuis cylindriques doivent รชtre parallรจles afin de limiter les sollicitations de torsion dans lโ€™รฉprouvette. Enfin, les cylindres sont reliรฉs ร  lโ€™ensemble du montage par une liaison pivot, leur laissant un degrรฉ de libertรฉ dans la direction longitudinale de lโ€™รฉprouvette, toujours dans lโ€™optique de rรฉduire les sollicitations de torsion.
Les gรฉomรฉtries parallรฉlรฉpipรฉdiques des รฉprouvettes sont alors imposรฉes par le montage et deux tailles sont possibles pour lโ€™รฉtude des matรฉriaux :
– Eprouvettes de petites dimensions 25ร—2,5ร—2 mm3
– Eprouvettes de grandes dimensions 45ร—4ร—3 mm3
Elles sont dรฉcoupรฉes par scie rotative diamantรฉe ร  partir de plaque de brut dโ€™AlSi CE9F avec une prรฉcision de 0,01 mm.
Les distances entre les appuis internes et externes sont alors fixรฉes en fonction de la gรฉomรฉtrie utilisรฉe. La distance L caractรฉrisant lโ€™espacement entre les deux appuis infรฉrieurs (Figure 18) est รฉgale ร  20 mm et la distance entre les appuis supรฉrieurs l ร  10 mm dans le cas dโ€™essais sur les รฉprouvettes de petites dimensions. Dans le deuxiรจme cas avec les รฉprouvettes de grandes dimensions, L est fixรฉ ร  40 mm et l ร  20 mm avec une prรฉcision de ยฑ 0,5 mm.
Aprรจs avoir assurรฉ lโ€™orthogonalitรฉ de lโ€™รฉprouvette par rapport aux appuis, lโ€™essai est lancรฉ avec une vitesse de dรฉplacement de la traverse de 0,5 mm.min-1. Lโ€™objectif est dโ€™obtenir la rupture entre 5 ร  15 secondes aprรจs le dรฉbut de la mise en charge. La cellule de force de la machine dโ€™essai mesure alors lโ€™effort avec un รฉchantillonnage de 100 Hz et une incertitude de ยฑ 5 N. La valeur dโ€™un effort ร  la rupture dโ€™une รฉprouvette est rejetรฉe, cโ€™est-ร -dire considรฉrรฉe comme invalide, si la rupture a lieu ร  lโ€™extรฉrieur des appuis supรฉrieurs comme schรฉmatisรฉ sur la Figure 19.
Les rรฉsultats des campagnes seront analysรฉs dans le cadre de la thรฉorie de lโ€™รฉlasticitรฉ des poutres. La contrainte ร  la rupture sera dรฉterminรฉe par lโ€™Eq. (52) avec b la largeur de lโ€™รฉprouvette, h son รฉpaisseur, F lโ€™effort ร  la rupture relevรฉ, L la distance entre les appuis infรฉrieurs et l la distance entre les appuis supรฉrieurs.= 3ย  (ย  ย โˆ’ย  2ย  โ„Žยฒย ) (52)
Ainsi, pour chaque campagne dโ€™essais, une distribution des contraintes ร  la rupture sera obtenue avec une incertitude maximale de ยฑ 2 MPa (principalement due ร  lโ€™incertitude de mesure de lโ€™effort), afin de dรฉterminer les paramรจtres de Weibull des diffรฉrents matรฉriaux. A noter que la dรฉformation de lโ€™รฉchantillon nโ€™est pas mesurรฉe lors des essais de flexion. En revanche, il est possible de calculer la flรจche en fonction de la gรฉomรฉtrie de lโ€™รฉprouvette (b et h), de lโ€™effort ร  la rupture F, du module dโ€™Young du matรฉriau E et des distances inter appuis (L et l) selon lโ€™Eq. (53). = 1 (ย  8ย  โ„Ž3โˆ’ย  ย )(2ย  2 + 2ย  ย  ย + 2) (53)

Essais de flexion trois points

Les campagnes dโ€™essais de flexion trois points sont aussi rรฉalisรฉes selon la norme NF 843-1. Le montage de la sociรฉtรฉ Discaptelec permet aussi de rรฉaliser la flexion pour les deux gรฉomรฉtries dโ€™รฉprouvettes normalisรฉes.
De la mรชme maniรจre que pour les campagnes de flexion quatre points, la cellule de force relรจve lโ€™effort exercรฉ sur les รฉprouvettes et le dรฉplacement de la traverse du montage. La contrainte ร  la rupture en flexion trois points (Figure 21) est alors calculรฉe via lโ€™Eq. (54). 2ย  โ„Žยฒ=3ย  ย  (54)
Pour chaque campagne dโ€™essais, une distribution des contraintes ร  la rupture est obtenue avec une incertitude maximale de 7 MPa. Les paramรจtres de Weibull peuvent รชtre aussi dรฉterminรฉs ร  partir des rรฉsultats de ce type dโ€™essai et รชtre comparรฉs avec ceux dรฉterminรฉs en flexion quatre points afin de mettre en รฉvidence les effets de volume. Deux tailles dโ€™รฉprouvettes ont รฉtรฉ utilisรฉes pour la flexion trois points รฉlaborรฉes avec le mรชme protocole dโ€™usinage et les mรชmes tolรฉrances que les รฉprouvettes de flexion quatre points.

Essais sur รฉprouvettes technologiques

Plusieurs campagnes dโ€™essais sur des รฉprouvettes dรฉnommรฉes technologiques ont รฉtรฉ rรฉalisรฉes. Leurs gรฉomรฉtries, particuliรจres par rapport ร  des รฉprouvettes normรฉes, reprรฉsentent des formes spรฉcifiques ร  des zones de boitiers destinรฉs ร  accueillir des dispositifs รฉlectroniques spatiaux. Ces รฉprouvettes ont pour mission de remplir deux objectifs.
Lโ€™objectif scientifique est de vรฉrifier le critรจre de la contrainte รฉquivalente ร  la rupture. En effet, pour les cas de flexion quatre points et trois points, il est possible de nรฉgliger les composantes du tenseur des contraintes autres que la composante de traction/compression associรฉe au moment de flexion. Le chargement peut รชtre considรฉrรฉe alors uniaxial pour lequel il nโ€™est pas utile dโ€™avoir recours ร  une contrainte รฉquivalente. Dans le cas de champs de contraintes multiaxiaux, consรฉquence de singularitรฉs gรฉomรฉtriques (trou et congรฉs par exemple), le chapitre bibliographique (1.II.4.3) a permis de mettre en valeur diffรฉrentes contraintes รฉquivalentes pour le calcul de la probabilitรฉ de rupture. Pour la prรฉsente รฉtude, la formulation proposรฉe par Freudenthal a รฉtรฉ choisie. Ces essais permettront de conforter ce choix.
Lโ€™objectif industriel est de caractรฉriser par des sollicitations mรฉcaniques la rรฉsistance de certaines gรฉomรฉtries spรฉcifiques des boitiers sans passer par une campagne dโ€™essai sur un boitier rรฉel.
Plusieurs formes ont alors รฉtรฉ retenues avec une sollicitation correspondante. Elles permettent de caractรฉriser la rรฉsistance de zones critiques du boitier, notamment les pattes de fixations.

Flexion quatre points sur รฉprouvettes percรฉes

Il sโ€™agit dโ€™une รฉprouvette de flexion ayant des dimensions proches dโ€™une patte de fixation de boitier. A cause des variations de tempรฉrature et des diffรฉrences de dilatations entre le boitier et son support crรฉant un effet bilame, elles sont fortement sollicitรฉes en traction et en compression. Il sโ€™agit de caractรฉriser la rรฉsistance du matรฉriau avec un perรงage, en considรฉrant des dimensions correspondantes ร  la fixation du boitier, sous la sollicitation la plus critique, cโ€™est-ร -dire en flexion. Afin de rรฉellement caractรฉriser lโ€™effet du perรงage sur la rรฉsistance ร  la rupture, ce dernier est placรฉ au centre de lโ€™รฉprouvette, lร  oรน les contraintes sont maximales. Une concentration de contrainte au niveau du perรงage, avec un plan de rupture, est donc attendue.
Les dimensions retenues sur la Figure 24 sont une รฉpaisseur h de 3 mm, une largeur b de 8,2 mm et un diamรจtre du perรงage d รฉgal ร  3,2 mm, avec une distance entre les appuis supรฉrieurs l de 20 mm et infรฉrieurs L de 40 mm. Les รฉprouvettes sont dรฉcoupรฉes ร  partir de plaques dโ€™AlSi par scie diamantรฉe.
Flexion sur รฉprouvettes vissรฉes avec effort de serrage imposรฉ
Cette campagne dโ€™essai est une variante de la flexion des รฉprouvettes percรฉes mais avec lโ€™ajout de contraintes de compression. Le boitier est maintenu sur son support par des vis au niveau des pattes de fixation avec un effort de serrage imposรฉ. Ce dernier gรฉnรจre des contraintes de compression en plus des composantes issues de la sollicitation subie par le boitier. Le champ de contrainte au niveau des pattes de fixation est alors complexe. Lโ€™objectif de cette campagne est de reproduire le champ de contrainte dรป au serrage des vis, en imposant un effort de serrage connu et dโ€™amplitude รฉgale ร  celui prรฉsent sur les boitiers. La prรฉsence du perรงage et du couple de serrage de la vis crรฉent alors un champ de contrainte complexe (compression et cisaillement) au niveau du perรงage que la contrainte รฉquivalente doit pouvoir reproduire.
La distance L sur la Figure 25 dรฉfinit la distance entre lโ€™axe de la vis de serrage et le point dโ€™application de lโ€™effort. Elle est fixรฉe ร  25 mm. Lโ€™รฉprouvette possรจde des dimensions proches de celles de lโ€™รฉprouvette avec un perรงage central (cf. 2.I.5.1) : une largeur b de 8,2 mm, une รฉpaisseur h de 3 mm mais est plus courte (longueur totale de 35 mm). Le perรงage est positionnรฉ ร  4,1 mm de lโ€™extrรฉmitรฉ libre de lโ€™รฉprouvette (Figure 25). Les รฉprouvettes sont dรฉcoupรฉes ร  partir de plaques brutes dโ€™AlSi par scie diamantรฉe.
Flexion quatre points sur รฉprouvettes ยซ en T ยป
Les campagnes prรฉcรฉdentes (flexion quatre points et รฉprouvettes percรฉes) permettent de caractรฉriser la rรฉsistance du fond et des pattes de fixation du boitier. Cependant, le boitier est aussi constituรฉ dโ€™รฉlรฉments verticaux. Lโ€™interface entre les murs et le fond, le rayon de raccordement, sera aussi fortement sollicitรฉe par les variations de tempรฉrature. Un champ de contraintes multiaxial est attendu dans la zone proche du rayon de raccordement du ยซ T ยป avec le reste de lโ€™รฉprouvette.
Caractรฉrisation des propriรฉtรฉs รฉlastiques
Rรฉsonance acoustique
La rรฉsonance acoustique est une mรฉthode de mesure non-destructive. Elle permet de dรฉterminer le module dโ€™Young et le coefficient de Poisson dโ€™un รฉchantillon avec une grande rรฉpรฉtabilitรฉ. La mesure repose sur les principes de propagation dโ€™une onde รฉlastique dans un milieu continu. Lโ€™รฉchantillon est sollicitรฉ par une impulsion et sa rรฉponse sonore est enregistrรฉe par lโ€™intermรฉdiaire dโ€™un microphone. Les frรฉquences sonores enregistrรฉes sont analysรฉes par transformรฉes de Fourier et assimilรฉes aux frรฉquences propres de lโ€™รฉchantillon. A noter que la mรฉthode et le montage RFDA de la sociรฉtรฉ IMCE utilisรฉs suivent la norme ASTM E1876-09 : le microphone couvre une gamme allant de 20 Hz ร  50 kHz, lโ€™รฉnergie dโ€™impact peut รชtre rรฉglรฉe et le support isole lโ€™รฉchantillon de toute vibration extรฉrieure. Enfin, il faut rรฉaliser au moins successivement 5 mesures de frรฉquence avec moins dโ€™un pourcent de variation pour calculer la valeur du module dโ€™Young.
Lโ€™รฉchantillon est analysรฉ sous deux configurations prรฉsentรฉes sur la Figure 27. La premiรจre favorise un mode de flexion pure particuliรจrement sensible au module dโ€™Young. La seconde favorise un mode de torsion plus sensible au module de Coulomb et donnant accรจs au coefficient de Poisson. La mesure du module dโ€™Young, nรฉcessitant de connaรฎtre le coefficient de Poisson, elle doit ainsi รชtre affinรฉe itรฉrativement.
Essais de DMA (Dynamic mechanical analysis)
Lโ€™analyse mรฉcanique dynamique, plus couramment appelรฉe DMA dโ€™aprรจs son nom anglophone, est une mรฉthode dโ€™analyse non-destructive permettant de caractรฉriser certaines propriรฉtรฉs mรฉcaniques dโ€™un matรฉriau en fonction de la tempรฉrature. Elle est principalement utilisรฉe pour les polymรจres car elle permet de mesurer :
– Le module complexe E* en flexion
– Le module complexe G* en cisaillement
– La viscositรฉ complexe ฮท*
– La tempรฉrature de transition vitreuse
Dans le cadre de ce travail, seule la dรฉtermination du module dโ€™Young est considรฉrรฉe, lโ€™objectif รฉtant de caractรฉriser lโ€™impact de la tempรฉrature sur les propriรฉtรฉs รฉlastiques des matรฉriaux. Le dispositif de DMA a รฉtรฉ utilisรฉ en complรฉment de la rรฉsonance acoustique afin dโ€™effectuer des mesures en dessous de la tempรฉrature ambiante.
Lโ€™รฉchantillon est soumis ร  une sollicitation mรฉcanique, ici en flexion trois points avec une distance entre appuis de 40 mm, avec une vibration forcรฉe, cโ€™est-ร -dire une amplitude imposรฉe, sous une certaine frรฉquence, nรฉcessairement hors frรฉquence de rรฉsonance. Lโ€™effort dynamique sโ€™exerรงant sur les appuis de flexion est alors enregistrรฉ. Les essais ont รฉtรฉ rรฉalisรฉs dans les laboratoires du CNES. Ces derniers possรจdent diffรฉrents dispositifs de DMA, notamment le DMA 242C de Netzsch, destinรฉ ร  des รฉprouvettes de petite taille et permettant de descendre jusquโ€™ร  -150ยฐC par flux dโ€™azote. Les รฉprouvettes sont dรฉcoupรฉes par scie diamantรฉe aux dimensions de 45x3x0,88 mm3. Elles ont รฉtรฉ sollicitรฉes sous une amplitude de de 50ยตm, une frรฉquence de 10Hz et une vitesse de chauffe de 5ยฐC/min.
Dans le cas dโ€™un matรฉriau ร  rupture fragile, un comportement purement รฉlastique linรฉaire est considรฉrรฉ. La loi de Hooke est alors appliquรฉe afin de relier la contrainte, calculรฉe ร  partir de lโ€™effort enregistrรฉ, avec la dรฉformation, obtenue avec lโ€™amplitude imposรฉe. A la fin de lโ€™essai, une reprรฉsentation de la variation du module dโ€™Young en fonction de la tempรฉrature est obtenue.
Cette mรฉthode de mesure non-destructive nรฉcessite de connaitre prรฉalablement la frรฉquence propre de lโ€™รฉchantillon dans le type de sollicitation considรฉrรฉ (3172 Hz avec lโ€™AlSi CE9F en flexion quatre points ou 3087 Hz en flexion trois points). En effet, si la frรฉquence de vibration forcรฉe est proche de la frรฉquence de rรฉsonance, les rรฉsultats seront difficilement exploitables.
De plus, selon le type de sollicitation choisi et la frรฉquence imposรฉe, les valeurs mรชme du module dโ€™Young en fonction de la tempรฉrature vont diffรฉrer. En revanche, le type de variation de la propriรฉtรฉ mรฉcanique en fonction de la tempรฉrature sera peu impactรฉ.
Essais dilatomรฉtriques et dรฉtermination du coefficient de dilatation thermique (CTE)
La dilatomรฉtrie est une mรฉthode de caractรฉrisation permettant de dรฉterminer le comportement dilatomรฉtrique dโ€™un matรฉriau sur une plage de tempรฉrature. Il sโ€™agit en fait de mesurer les variations de longueur dโ€™une รฉprouvette en fonction de la tempรฉrature.
La mรฉthode permet notamment de mettre en รฉvidence les tempรฉratures de transformation de phases, le caractรจre rรฉversible ou non-rรฉversible de certaines transformations et de dรฉterminer le coefficient de dilatation et ses รฉventuelles variations.
Les รฉtudes ont รฉtรฉ rรฉalisรฉes au sein du CNES qui possรจde un dilatomรจtre Netzsch DIL 402E permettant de descendre jusquโ€™ร  -100ยฐC. Un capteur de dรฉplacement LVDT hors enceinte thermique vient appuyer sur lโ€™รฉchantillon via une tige en alumine. Les dรฉplacements de cette derniรจre permettent de remonter ร  lโ€™allongement de lโ€™รฉchantillon et donc ร  la dรฉformation du matรฉriau en fonction de la tempรฉrature. Lโ€™ensemble des essais a รฉtรฉ rรฉalisรฉ de -60ยฐC ร  130ยฐC, sur des รฉprouvettes de dimensions 45x4x3 mm3, avec une vitesse de chauffe de 5ยฐC.min-1. La dรฉformation est donc mesurรฉe dans le sens long de lโ€™รฉprouvette.
Nano-indentation de Berkovich et mesure locale du module dโ€™รฉlasticitรฉ
La nano-indentation est une mรฉthode rรฉcente que les mรฉthodes de mesure de de duretรฉ conventionnelle, fonctionnant sur le mรชme principe que les essais de duretรฉ classiques mais permettant en plus de caractรฉriser le module dโ€™รฉlasticitรฉ [126] de la zone indentรฉe. Le principe repose sur la caractรฉrisation de la rรฉsistance dโ€™un matรฉriau ร  la pรฉnรฉtration par un objet. Dans le cas dโ€™un matรฉriau biphasรฉ comme lโ€™AlSi CE9F, la mรฉthode a pour objectif de mesurer la duretรฉ et le module dโ€™Young de chacune des phases. En effet lโ€™indenteur est suffisamment petit pour cibler une seule phase. Lโ€™รฉchantillon doit รชtre prรฉalablement poli miroir (prรฉparation PP de la section 2.III.1) et le parallรฉlisme entre la surface observรฉe et la surface dโ€™appui de lโ€™รฉchantillon doit รชtre assurรฉ. Un indenteur de Berkovich (dรฉveloppรฉ en 1992), ร  gรฉomรฉtrie pyramidale ร  base triangulaire avec des dimensions normรฉes, est utilisรฉ.
La charge appliquรฉe et la profondeur de pรฉnรฉtration de la pointe de lโ€™indenteur sont mesurรฉes lors des deux phases dโ€™un essai de nanoindentation. La premiรจre est une phase de charge oรน lโ€™indenteur pรฉnรจtre avec une vitesse de 400 mN.min-1 lโ€™รฉchantillon รฉtudiรฉ jusquโ€™ร  atteindre une profondeur maximale fixรฉe prรฉalablement ร  500 nm. Le dรฉchargement constitue la deuxiรจme phase : lโ€™indenteur remonte ร  jusquโ€™ร  atteindre une charge nulle. En raison de la dรฉformation appliquรฉe ร  lโ€™รฉchantillon par la charge de la premiรจre phase, lโ€™indenteur ne revient pas ร  la position initiale. Le rรฉsultat final des mesures est une courbe charge-dรฉplacement, permettant de dรฉfinir diffรฉrents paramรจtres : la charge maximale, la profondeur maximale dโ€™indentation, la profondeur aprรจs la deuxiรจme phase.

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Table des matiรจres

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
1.I DEUX MATERIAUX A RUPTURE FRAGILE
1.I.1 AlSi CE9F, le matรฉriau innovant
1.I.2 Alumine cofrittรฉe ร  haute tempรฉrature (HTCC)
1.II LA RUPTURE FRAGILE ET LE MODELE DE WEIBULL
1.II.1 Notion de rupture fragile
1.II.2 Modรจle de Weibull โ€“ Thรฉorie et dรฉfinition
1.II.3 Modulations du modรจle de Weibull et autres distributions
1.II.4 Volume รฉquivalent et effet dโ€™รฉchelle
1.II.5 Sur la dรฉtermination des paramรจtres du modรจle de Weibull
1.II.6 Introduction ร  la modรฉlisation de la rupture fragile
CHAPITRE 2 METHODES DE CARACTERISATION DES MATERIAUX
2.I CARACTERISATION PAR ANALYSE STATISTIQUE DE LA RESISTANCE A LA RUPTURE
2.I.1 Essais de flexion quatre points
2.I.2 Essais de flexion trois points
2.I.3 Campagnes dโ€™essais de flexion quatre points ร  -50ยฐC et ร  130ยฐC
2.I.4 Dรฉtermination des paramรจtres de Weibull
2.I.5 Essais sur รฉprouvettes technologiques
2.II CARACTERISATION DES PROPRIETES ELASTIQUES
2.II.1 Rรฉsonance acoustique
2.II.2 Essais de DMA (Dynamic mechanical analysis)
2.II.3 Essais dilatomรฉtriques et dรฉtermination du coefficient de dilatation thermique (CTE)
2.II.4 Nano-indentation de Berkovich et mesure locale du module dโ€™รฉlasticitรฉ
2.III CARACTERISATION MICROSTRUCTURALE
2.III.1 Observations au microscope รฉlectronique ร  balayage (MEB)
2.III.2 Analyse par diffraction des rayons X (DRX) et dรฉtermination des contraintes internes
2.III.3 Analyse par EBSD (Electron BackScattered Diffraction)
2.III.4 Mรฉthode des Intercepts
CHAPITRE 3 ETUDE MICROSTRUCTURALE ET MECANIQUE DES MATERIAUX ETUDIES
3.I CARACTERISATION DE Lโ€™ALUMINE HTCC
3.I.1 Propriรฉtรฉs thermoรฉlastiques de lโ€™alumine HTCC
3.I.2 Etude dรฉtaillรฉe de la microstructure dโ€™Alumine HTCC
3.I.3 Analyse probabiliste de la rupture de lโ€™alumine HTCC ร  tempรฉrature ambiante
3.II CARACTERISATION DU MATERIAU ALSI CE9F
3.II.1 Propriรฉtรฉs thermoรฉlastiques de lโ€™AlSi CE9F
3.II.2 Microstructure de lโ€™AlSi CE9F
3.II.3 Analyse probabiliste de la rupture de lโ€™AlSi CE9F
3.II.4 Influence de cycles thermiques sur les propriรฉtรฉs mรฉcaniques de lโ€™AlSi CE9F
3.II.5 Discussion sur lโ€™influence de la tempรฉrature sur le comportement de lโ€™AlSi
3.III SYNTHESE SUR LE CHAPITRE
CHAPITRE 4 SIMULATION NUMERIQUE ET VALIDATION Dโ€™UN CRITERE DE LA RUPTURE FRAGILE
4.I ETUDES DU MODELE NUMERIQUE DE LA RUPTURE FRAGILE
4.I.1 Implantation numรฉrique du modรจle
4.I.2 Confrontation avec les rรฉsultats expรฉrimentaux
4.II CONFRONTATION EXPERIENCE/SIMULATION POUR DES CAS DE CHARGEMENTS COMPLEXES
4.II.1 Flexion quatre points sur รฉprouvette en T
4.II.2 Flexion quatre points sur รฉprouvette percรฉe
4.II.3 Flexion simple sur รฉprouvette vissรฉe
4.II.4 Bilan sur lโ€™รฉtude des cas de chargements complexes
4.III ETUDE Dโ€™UN COMPOSANT EN ALUMINE HTCC
4.III.1 Dรฉfinition du composant et retour dโ€™expรฉrience
4.III.2 Rรฉsultats expรฉrimentaux โ€“ flexion quatre points
4.III.3 Observation des faciรจs de rupture
4.III.4 Simulation numรฉrique de la fenรชtre en alumine HTCC
4.III.5 Discussion sur la fenรชtre en alumine HTCC
4.IV SYNTHESE SUR LE CHAPITRE
CHAPITRE 5 ETUDES SUR BOITIER HYBRIDE EN ALSI CE9F
5.I CALCUL DE LA PROBABILITE DE RUPTURE EN CONDITIONS ANISOTHERMES
5.I.1 Cas gรฉnรฉral du calcul de la probabilitรฉ de rupture
5.I.2 Application ร  une plaque encastrรฉe soumise un gradient de tempรฉrature
5.I.3 Bilan de lโ€™รฉtude
5.II SIMULATIONS NUMERIQUES Dโ€™ESSAIS DE CERTIFICATION Dโ€™UN BOITIER
5.II.1 Dรฉfinition du composant et hypothรจses
5.II.2 Simulation dโ€™un cas thermomรฉcanique
5.II.3 Simulation du comportement sous sollicitation dynamique
5.III SYNTHESE SUR LE CHAPITRE
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIe

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