Soutenance mémoire
Voie fonderie
La mousse choisie par RENAULT pour cette étude est issue de la voie fonderie 1. Cette méthode de production est développée par Cymat Corporation au Canada. Cymat est une petite compagnie canadienne dont Alcan et Norsk Hydro aluminium sont les actionnaires majoritaires. Ceci permet à Cymat d’exploiter et de commercialiser dans le monde de la mousse d’aluminium stabilisée traduction littérale de “stabilised aluminium foam”, la dénomination utilisée par Cymat pour décrire son produit. La méthode consiste à former de la mousse par bouillonnement (voir figure 1) en injectant un gaz inerte au-dessous de la surface d’un mélange d’aluminium liquide et de particules de SiC afin d’augmenter les tensions superficielles. Les bulles remontent alors vers la surface mais n’éclatent pas. Une écume stable se forme et il suffit de venir ramasser cette écume à la surface, de la mettre en forme de brame avant de la refroidir sur un convoyeur pour obtenir des semi-produits de mousse. La taille des cellules, et donc la densité de la mousse, est contrôlée en ajustant le débit de gaz injecté. Le principal avantage de cette technique est, d’un point de vue du coût, son caractère continu. Cependant elle présente l’inconvénient de ne produire que des semi-produits qu’il faudra ensuite usiner puis assembler avec tous les problèmes de montage, de résistance des fixations et d’adhésion que cela peut poser2. Bien que ce principe d’obtention soit relativement simple, son contrôle est difficile et conduit souvent à des produits peu homogènes et peu épais. Les densités absolues usuellement proposées sont comprises entre 0,05 g cm3 et 0,45 g cm3. Le produit obtenu présente des porosités fermées. Les mousses utilisées pour cette étude proviennent d’une production Hydro Aluminium de l’année 1999. Il faut noter que les faces supérieure et inférieure ne sont ni vraiment parallèles ni régulières. Les produits fabriqués par Cymat aujourd’hui présentent un aspect plus régulier et maitrisé.
Voie métallurgie des poudres
La métallurgie des poudres est une voie essentiellement explorée par l’IFAM (l’Institut Fraunhofer pour la Recherche Appliquée en Matériaux) [Banhart99] et par l’Université de Bratislava en collaboration avec la société Karmann. Le principe (voir figure 4) consiste à mélanger tout d’abord un agent moussant (en général du TiH2) avec de l’aluminium sous forme pulvérulente puis de consolider l’ensemble en produit semi-fini en lui faisant subir une compaction ou une coextrusion à froid. Ce produit semi-fini peut être mis en forme en le faisant passer à travers les procédés classiques de mise en forme à froid. Le processus de moussage s’active en chauffant l’ensemble au dessus du solidus (au dessus de 500 C) de l’aluminium, par décomposition de l’agent moussant à haute température et dégagement gazeux.Cette réaction produit une mousse liée au moule qui est en général constitué d’une feuille d’aluminium. Le principal avantage de ce procédé est de pouvoir produire des produits quasi finis avec une liberté de forme assez large et surtout une bonne adhérence de la mousse à son enveloppe. Le composite ainsi formé possède de très bonnes propriétés spécifiques. Toutefois la forme de la pièce doit être particulièrement étudiée afin d’homogénéiser le refroidissement, en effet, une vitesse de solidification plus lente dans une partie de la pièce conduit à une porosité plus importante. C’est le paradoxe de ce procédé car, en conception, une partie massive correspond, en genéral, à une partie plus fortement sollicitée de la pièce. Ce procédé conduit donc à produire des pièces fragilisées aux endroits les plus solicités. Cette méthode semble donc plus adaptée à la production de tôles sandwich (voir figure 5) et non de pièces massives. Enfin le coût élevé de ce procédé ne permet pas aujourd’hui d’envisager des applications en grande série.
Interaction passager/véhicule ou piéton/véhicule
La protection du passager est un défi permanent dans l’automobile. La plupart des chocs les plus violents sont aujourd’hui gérés par l’utilisation conjointe de prétensionneurs sur les ceintures de sécurité et de coussins gonflables. Cependant la morphologie de chacun étant unique, des chocs entre le corps du passager et l’intérieur du véhicule restent possibles. Les constructeurs se doivent donc de sécuriser l’ensemble de l’environnement passager. La mousse d’aluminium peut alors être utilisée comme padding pour dissiper l’énergie lors du contact entre le corps du passager et l’intérieur de l’habitacle (voir figure 19) comme par exemple lors d’un choc frontal entre le genou et la partie inférieure de la planche de bord (voir figures 20 et 21), entre les pieds et le plancher ou encore, lors d’un choc latéral, entre le bassin et le panneau de porte ou la tête et le montant de baie. Le cas du choc tête / montant de baie peut se produire lors d’un tonneau avec le véhicule.
Observation au microscope électronique à balayage
L’observation au MEB nécessite la dépose d’un film fin d’or-paladium à la surface de l’échantillon pour rendre la résine conductrice. L’utilisation de ce moyen permet d’atteindre des grandissements plus importants et donc d’obtenir des images d’une meilleure définition pour la localisation des Carbures de Silicium (voir figure 1.4). Le MEB permet également grâce à l’utilisation d’une microsonde d’obtenir des informations sur la constitution des phases en présence. La zone étudiée est présentée en figure 1.5, elle a été choisie car elle semblait présenter la plus grande diversité de phases en présence. Six phases différentes ont été repérées dans le matériau constituant les cellules.
1. La matrice à base d’aluminium, de magnésium, de cuivre, de silicium et de fer dont la composition massique est donnée dans le tableau 1.3 et la répartition spatiale sur la figure 1.6
2. Les particules de carbure de silicium SiC dont la taille est comprise entre 10µm et 30µm (voir figure
1.4). Elles sont particulièrement présentes dans les parois et plus rares au points triples (voir figure 1.2 et 1.3 )
3. Une phase intermétallique aluminium, nickel, fer et silicium. Cette phase présente une microstructure sous forme de brins dendritiques secondaires. Elle apparait en blanc sur les microgaphies obtenues au MEB (voir figure 1.4), elle est essentiellement présente aux points triples.
4. Une phase riche en silicium.
5. Une phase d’oxyde à base de magnésium, de silicium et d’oxygène. Elle apparait en foncé sur la micrographie et reste peu présente.
6. Une dernière phase très rare également, riche en aluminium et carbone et seulement détectée à l’EDS.
Effet de l’oxydation
La méthode d’usinage des éprouvettes cylindriques par carroteuse géologique impose un refroidissement de l’outil à l’eau. Après usinage, les cellules n’étant pas complètement fermées, de l’eau est absorbée par la mousse. Un passage de 12 heures à 50 degrès à l’étuve permet d’éliminer ces résidus d’eau. Ce traitement des éprouvettes peut favoriser l’oxydation du matériau. Des essais de compression ont été réalisés sur des blocs de 70 mm de côté extrait de la brame à la scie à ruban. Des blocs cubiques ont suivi le même processus de traitement que les épouvettes cylindriques : aspersion d’eau puis étuvage. La comparaison des courbes contrainte / déformation en compression de blocs oxydés et non oxydés (voir figure 2.1) ne montre pas un effet significatif de la méthode d’usinage sur le comportement mécanique. Cette comparaison entre éprouvettes oxydées et nonoxydées n’a pas été réalisée sur des éprouvettes cylindriques car il est impossible d’obtenir des cylindres sans aspersion d’eau 8. L’influence du traitement par étuve a donc été considéré comme négligeable sur le comportement mécanique à court terme du matériau. Toutefois l’influence de cette oxydation à cœur et à long terme devra être vérifiée dans l’optique d’une utilisation comme pièce de sécurité dans une automobile soumise tout au long de sa vie à un environnement agressif.
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Table des matières
Partie I Introduction générale
1 Méthode d’obtention
1.1 Voie fonderie
1.2 Voie métallurgie des poudres
1.3 Voie hybride
2 Intérêt industriel
2.1 Le renforcement structural
2.2 Interaction passager/véhicule ou piéton/véhicule
3 Quelques éléments de mécanique des mousses
4 Objectifs et plan de la thèse
4.1 Objectifs de la thèse
4.2 Plan de la thèse
Partie II Structure de la mousse d’aluminium
Chapitre 1 Echelle microscopique
1.1 Préparation des échantillons
1.2 Observation au microscope optique
1.3 Observation au microscope électronique à balayage
1.4 Analyse chimique
1.4.1 Méthode EDS globale
1.4.2 Méthode chimique
1.4.3 Conclusion sur la microstructure
Chapitre 2 Echelle mésoscopique
2.1 Approche descriptive
2.2 Approche analytique
Chapitre 3 Echelle macroscopique
Partie III Approche expérimentale et statistique du comportement mécanique de la mousse d’aluminium
Chapitre 1 Multiaxial behaviour of aluminium foams
1.1 Abstract
1.2 Introduction
1.3 Experimental procedures
1.3.1 Material : composition and microstructure
1.3.2 Mechanical testing
1.4 Experimental results
1.4.1 Uni-axial tests
1.4.2 Multi–axial tests
1.5 Discussion and modelling
1.5.1 Statistical analysis and size effect for uni–axial loading conditions
1.5.2 Extension of the Weibull’s analysis to torsion tests
1.5.3 Extension of the statistical analysis to multi-axial loading conditions
1.5.4 A tentative micromechanical model
1.6 Conclusions
Chapitre 2 Compléments sur les essais sur mousse d’aluminium
2.1 Essai de compression
2.1.1 Effet de l’oxydation
2.1.2 Effet de la présence de peau
2.1.3 Effet de la vitesse de sollicitation
2.1.4 Effet de la forme de l’éprouvette
2.1.5 Effet des conditions aux limite
2.1.6 Etude expérimentale de la localisation de la déformation
2.2 Essai de traction
2.3 Essai de cisaillement
Partie IV Modélisation et simulation du comportement mécanique de la mousse d’aluminium Introduction aux modèles adaptés aux mousses
Chapitre 1 Théorie de la plasticité compressible
1.1 Critères de plasticité
1.1.1 Critère de von Mises
1.1.2 Critère de Green
1.1.3 Loi d’écoulement associée au critère de Green
1.2 Autres modèles pour mousse d’aluminium
1.2.1 Modèles 26 et 126 issus de LS-DYNA
1.2.2 Loi n 63 de LS-DYNA
1.2.3 Modèle CRUSHABLE FOAM d’ABAQUS
1.3 Comparaison et choix du modèle
Chapitre 2 Simulation du comportement de la mousse d’aluminium : approche globale
2.1 Identification sur l’essai de compression
2.2 Validation de l’approche globale
Chapitre 3 Simulation de la localisation de la déformation
3.1 Modélisation de la localisation de la déformation en compression
3.2 Modélisation de la localisation de la déformation en traction
3.3 Modes de localisation et bifurcation en élastoplasticité compressible
3.4 Dépendance vis à vis du maillage
3.5 Prise en compte des grandes déformations
3.6 Validation de l’approche prenant en compte la localisation de la déformation
3.7 Prise en compte des hétérogénéités initiales
Chapitre 4 Prise en compte de l’hétérogénéité initiale réelle de la mousse dans la simulation
4.1 Mesure des hétérogénéités initiales
4.2 Simulation sur des hétérogénéités réelles
4.2.1 Carte des porosités initiales
4.2.2 Loi de comportement dépendant de la porosité initiale et simulation
Partie V Conclusions et perspectives
Partie VI Annexes
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