Thèse
Auteur :
Hertz-Clemens Stéphane

Date de soutenance :
02 mai 2002

Directeur(s) de thèse :
Remy L.



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Etude d'un composite aéronautique à matrice métallique sous chargements de fatigue: sollicitation mécano-thermique et propagation de fissures


Résumé : Les composites unidirectionnels SiC/Ti sont des candidats potentiels au développement de nouveaux moteurs aéronautiques, ils allient à la fois résistance spécifique élevée, stabilité dimensionnelle et rigidité. Le matériau étudié ici est un alliage Ti 6242 renforcé par des fibres en carbure de silicium SM 1140+.

Des essais de fatigue mécano-thermique ont été menés sur le composite suivant des cycles simulant le chargement supporté au cours d'un vol. Une réduction importante de la durée de vie du composite par rapport à une sollicitation isotherme a été mise en évidence. Des modèles de prévision de la durée de vie en fatigue du composite ont été mis en place à l'aide de simulations aux éléments finis.

Des essais de propagation de fissure par fatigue ont été conduits sur le composite SM 1140+/Ti 6242. Les résultats ont mis en évidence un régime stabilisé: la vitesse de fissuration est constante et indépendante de la taille de la fissure. Ce résultat est associé à des conditions particulières de propagation. En effet, des observations ont montré que pour l'ensemble des essais, la fissure a contourné les fibres sans les rompre: on est donc en régime de pontage de la fissure par les fibres. Des observations ont d'autre part révélé une consommation de l'interphase en carbone des fibres présentes dans le chemin de fissuration.

Un modèle a été mis en place pour prédire les vitesses de fissuration stabilisées mesurées expérimentalement sur le composite SM 1140+/Ti 6242. Cette modélisation est basée sur des résultats d'essais de fissuration obtenus sur la matrice seule et sur des simulations aux éléments finis d'éprouvettes entaillées. Les résultats obtenus permettent d'avoir accès aux cinétiques de propagation dans le composite en régime de pontage.I INTRODUCTION GENERALE 1

I.1 CONTEXTE DE L'ÉTUDE 2

I.1.1 Introduction 2

I.1.2 Enjeu industriel 3

I.1.3 Objectifs de l'étude 4

I.2 LE COMPOSITE!: SM!1140!+/TI!6242 6

I.2.1 La fibre SM!1140 + 6

I.2.2 La matrice!: l'alliage de titane Ti!6242 9

I.3 ELABORATION DES COMPOSITES À MATRICE MÉTALLIQUE À RENFORTS CONTINUS UNIDIRECTIONNELS 13

I.3.1 Différentes méthodes d'élaboration 13

I.3.2 Fabrication du composite SM!1140+/Ti!6242 16

I.3.3 Conséquence du mode de fabrication!: les contraintes résiduelles 17

I.4 EN RÉSUMÉ 20

II. MÉTHODES EXPÉRIMENTALES 21

II.1 LES ESSAIS DE FATIGUE MÉCANO-THERMIQUE 22

II.1.1 L'éprouvette de fatigue mécano-thermique SM!1140!+/Ti!6242 22

II.1.2 L'instrumentation des éprouvettes 22

II.1.3 Description des essais de fatigue mécano-thermique 23

II.2 LA PROPAGATION DE FISSURES COURTES PAR FATIGUE 27

II.2.1 Les éprouvettes de fissuration 28

II.2.2 L'instrumentation des éprouvettes 29

II.2.3 La pré-fissuration 29

II.2.4 Le suivi de fissure à haute température 30

II.2.5 Le calcul du chargement limite pour les éprouvettes en Ti!6242 30

II.2.6 Le déroulement des essais 32

II.3 LES ESSAIS SOUS VIDE 33

II.4 EN RÉSUMÉ 35

III COMPORTEMENT EN FATIGUE MÉCANO-THERMIQUE DU SM!1140+/TI!6242 37

III.1 INTRODUCTION 38

III.2 RAPPELS BIBLIOGRAPHIQUES 38

III.2.1 Cycles conventionnels!: hors-phase et en-phase 38

Sommaire ii

III.2.2 Cycles non-conventionnels 43

III.2.3 En résumé 44

III.3 DURÉES DE VIE DU COMPOSITE SM!1140+/TI!6242 EN FATIGUE MÉCANO-THERMIQUE 48

III.4 COMPORTEMENT DU COMPOSITE SM!1140+/TI!6242 EN FATIGUE MÉCANO-THERMIQUE 54

III.5 ENDOMMAGEMENT DU COMPOSITE SM!1140+/TI!6242 EN FATIGUE MÉCANO-THERMIQUE 63

III.6 EN RÉSUMÉ 70

IV. COMPORTEMENT EN FISSURATION DU SM!1140+/TI!6242 71

IV.1 INTRODUCTION 72

IV.2 PRINCIPE DES ESSAIS 74

IV.2.1 Géométrie des éprouvettes 74

IV.2.2 Choix des cycles 74

IV.2.3 Détails des essais de fissuration 75

IV.2.4 Représentation des résultats des essais de fissuration 76

IV.3 VITESSES DE PROPAGATION MESURÉES SUR LE COMPOSITE SM!1140+/TI!6242 EN FISSURATION 80

IV.3.1 Propagation en conditions anisothermes 80

IV.3.2 Propagation en conditions isothermes 80

IV.3.3 Effet de la forme du cycle sur la propagation 81

IV.3.4 Comparaison isotherme-anisotherme 82

IV.3.5 Information sur les mécanismes d'endommagement 82

IV.4 ENDOMMAGEMENT DU COMPOSITE SM!1140+/TI!6242 EN FISSURATION 89

IV.4.1 Faciès de rupture 89

IV.4.2 Cinetique d'oxydation des interphases en carbone de la fibre SM!1140+92

IV.4.3 Chemins de fissuration 100

IV.5 EN RÉSUMÉ 115

V. MODELISATION GENERALE ET DISCUSSION 117

V.1 INTRODUCTION 118

V.2 MODÉLISATION NUMÉRIQUE DU COMPORTEMENT DU COMPOSITE SM!1140+/TI!6242119

V.2.1 Introduction 119

V.2.2 La modélisation 119

V.2.3 Lois de comportement 123

V.2.4 Validation de la modélisation numérique!: calcul des contraintes résiduelles d'élaboration 126

V.2.5 Simulation du comportement du composite SM!1140+/Ti!6242 en fatigue mécano-thermique 129

V.2.6 En résumé 142

Sommaire iii

V.3 DIFFICULTÉS LIÉES À L'ÉTUDE D'UN COMPOSITE À MATRICE MÉTALLIQUE RENFORCÉE PAR DES FIBRES LONGUES 143

V.3.1 Introduction 143

V.3.2 Changements d'échelle 143

V.3.3 Problèmes liés au mode de contrôle des essais de fatigue 145

V.3.4 En résumé 156

V.4 PRÉVISION DE LA DURÉE DE VIE EN FATIGUE DU COMPOSITE SM!1140+/TI!6242 157

V.4.1 Calcul du niveau de chargement dans les constituants 157

V.4.2 Durée de vie en fatigue du composite SM!1140+/Ti!6242 164

V.4.3 En résumé 180

V.5 PREVISION DES VITESSES DE FISSURATION EN FATIGUE DU COMPOSITE SM!1140+/TI!6242 181

V.5.1 Comportement en fissuration du Ti!6242 181

V.5.2 Modélisation du comportement en fissuration de l'alliage de titane Ti!6242 195

V.5.3 Modélisation du comportement en fissuration du composite SM!1140+/!Ti!6242 206

V.5.4 En résumé 211

V.6 RESUME GENERAL 212

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 213

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 217

ANNEXES 229

ANNEXE A!: ESSAIS SUR EPROUVETTES ENCAPSULEES 229

ANNEXE B!: CARACTERISATION EN FATIGUE MECANO-THERMIQUE D'EPROUVETTES CYLINDRIQUES 245

ANNEXE C!: COMPORTEMENT MECANIQUE DE L'ALLIAGE TI 6242 261

ANNEXE D!: PARAMETRES DES DEUX LOIS DE COMPORTEMENT DU TI!6242 269

ANNEXE E!: COEFFICIENTS DE LA LOI DE PARIS DE L'ALLIAGE DE TITANE TI!6242 273

ANNEXE F!: CHARGEMENT LIMITE D'UNE EPROUVETTE SEN 275

ANNEXE G!: CINETIQUE DE L'OXYDATION DES INTERPHASES DE CARBONE DE LA FIBRE SM 1140+ 277

ANNEXE H!: CALCUL DES CONTRAINTES RESIDUELLES D'ELABORATION A PARTIR DES MESURES D'OXYDATION STATIQUE 279

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