Club Cast3m 2008 Approche multi-échelle du comportement mécanique des matériaux composites SiC/SiC Comportement élastique à l’échelle du toron Chateau C.1,2, Gélébart L.1, Bornert M.2, Crépin.

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Transcript Club Cast3m 2008 Approche multi-échelle du comportement mécanique des matériaux composites SiC/SiC Comportement élastique à l’échelle du toron Chateau C.1,2, Gélébart L.1, Bornert M.2, Crépin.

Club Cast3m 2008
Approche multi-échelle du
comportement mécanique des
matériaux composites SiC/SiC
Comportement élastique à l’échelle du toron
Chateau C.1,2, Gélébart L.1, Bornert M.2, Crépin J.3
CEA Saclay, SRMA, BP49, 91191 Gif/Yvette Cedex, France
LMS Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau Cedex, France
3 Mines ParisTech, Centre des matériaux, CNRS UMR 7633, BP 87 91003 Evry Cedex, France
1
2
21/11/08
DMN/SRMA
Sommaire
Introduction
• Présentation de l’étude
– Contexte
– Objectifs
• Caractérisation microstructurale
• Simulation de microstructures
• Comportement mécanique
– Conditions aux limites
– Notion de VER mécanique
Bilan et perspectives
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1. Présentation de l’étude
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Contexte
Réacteurs nucléaires du futur (génération IV)
•
•
Utilisation d’un spectre de neutrons rapide
Augmentation des températures de fonctionnement :
800 -1000°C → 1600°C
SiC : candidat potentiel
•
•
•
Bonne stabilité en température
Bon comportement sous irradiation,
faible capture neutronique
Fragile
Gainage en matériaux
composites SiC/SiC
Aiguille
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1. Présentation du sujet
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Les composites SiC/SiC
Matériau composite 2D à renfort tissé (SNECMA-SPS)
Procédé de fabrication : CVI (Chemical Vapor Infiltration)
→ dépôt de l’interphase de PyC et de la matrice SiC
Macro-pore
1 mm
Toron (500 fibres)
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Tissage
1. Présentation du sujet
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Les composites SiC/SiC
Microstructure
Micro-pore
Fibres SiC
Interphase PyC
Matrice SiC
10 µm
Microstructure complexe et très hétérogène
Comportement macroscopique complexe
(anisotropie, endommagement)
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1. Présentation du sujet
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Séparation des échelles
Echelle microscopique
Echelle macroscopique
Microstructure
Structure
Taille caractéristique des hétérogénéités : d
homogénéisation
Taille caractéristique : D
Volume Elémentaire Représentatif (VER)
d << L << D
Définition d’un Comportement Homogène Equivalent
en tout point de la structure macroscopique
Cas des SiC/SiC : 2 changements d’échelle
microstructure
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toron
composite tissé
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Objectifs
Modélisation multi-échelle du comportement mécanique des SiC/SiC
Restriction de l’étude
•
•
1er changement d’échelle : microstructure → toron
Comportement élastique
Démarche
•
•
•
Analyse microstructurale
Génération de microstructures
Comportement mécanique (homogénéisation numérique)
Influence de la porosité
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1. Présentation du sujet
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2. Caractérisation microstructurale
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Acquisition d’images
MEB-FEG (LMS-Ecole Polytechnique)
• Electrons rétrodiffusés
• Haute résolution
• Échantillon + 6 torons
4
1
3
2
6
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5
2. Caractérisation microstructurale
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Acquisition d’images
1
2
3
4
5
6
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2. Caractérisation microstructurale
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Analyse d’images
Fraction volumique
Extraction des fibres (ImageJ)
•
•
Diamètre
Position du centre
53 à 64 %
•
•
Aire
Position du centre
2,8 à 5,2 %
Extraction des pores
Analyse effectuée sur les 6 torons
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2. Caractérisation microstructurale
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Paramètres retenus
Diamètre moyen des fibres
13 µm
Variance de la distribution gaussienne des diamètres
2,8 µm²
Fraction volumique de fibres
55 %
Fraction volumique de porosité
~ 4,1%
Distance minimum entre fibres
~ 0 µm
Diamètres de fibres dans le toron 3
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2. Caractérisation microstructurale
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3. Génération de microstructures
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Tirage des centres des fibres
Paramètres d’entrée
•
•
•
•
Fraction volumique de fibres
Répartition normale des diamètres
Nombre moyen de fibres
Distance de répulsion
MATLAB
Ensemble des centres de fibres
et diamètres correspondants
Exemple d’un tirage d’environ 150 points
(représentation avec tesselation de Voronoi)
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3. Génération de microstructures
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Géométrie et maillage 2D
Paramètres d’entrée
• Données issues du tirage de points
• Epaisseur constante de matrice
Identification sur la fraction
surfacique de porosité
SALOME
em= 3,6 µm → fp = 4,3 %
NB: Division du domaine en NxN microstructures
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3. Génération de microstructures
Notion de VER
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4. Comportement mécanique
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Calcul mécanique
Fibre
Hypothèse :
microstructure invariante dans la
direction des fibres
Matrice
Pore
Propriétés mécaniques : constituants élastiques isotropes
•
•
Ef = 372 GPa (données fabricant)
Em = 400 GPa
Calcul mécanique : (CAST3M)
•
•
Calcul sur les NxN microstructures
Application de 6 chargements indépendants
Tenseur des modules apparent
Kapp
pour chaque volume élémentaire   K
app
:
(Si volume grand : comportement effectif, Volume Elémentaire Représentatif)
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4. Comportement mécanique
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Conditions aux limites
Conditions aux limites disponibles :
•
•
•
•
En déformations homogènes u   .x
Bornes
t   .n
En contraintes homogènes
Périodiques t(x  L)  t(x) ou u(x  L)  u(x)   .L
Mixtes (t   .n).(u   .x)  0
Estimation
Microstructure poreuse non périodique
Application de conditions aux limites
• En déformations homogènes (CLDH)
• Mixtes (CLMI) → Pahr(*)
(*)Pahr
D., Zysset P., "Influence of boundary conditions on computed apparent elastic properties of
cancellous bone", 2007, Biomechan Model Mechanobiol 7, 463-476
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4. Comportement mécanique
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Notion de VER mécanique
VER mécanique:
•
•
•
Propriétés apparentes indépendantes du choix du VE
Propriétés apparentes stables si la taille du VE augmente
Comportement apparent indépendant des conditions aux limites imposées
Etudes sur 3 tailles de microstructure
1
2
3
Coefficient de compressibilité plane
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4
1
K p  (K11app  K12app )
2
4. Comportement mécanique
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Notion de VER mécanique
Fluctuations d’une microstructure à l’autre
Ecart type
Moyenne
18%
• Microstructures non représentatives
15%
• Problème de séparabilité des échelles
10%
5%
Estimation du comportement effectif :
comportement moyen sur plusieurs
microstructures (VES)
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4. Comportement mécanique
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Etude du comportement moyen
Convergence
Augmentation de la vitesse de convergence avec la taille
Écart< 2%
34
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19
63
4. Comportement mécanique
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Etude du comportement moyen
Effet de la taille et des conditions aux limites sur la
valeur de convergence
Coefficient de compressibilité plane Kp moyen :
•
•
Dépend de la taille de la microstructure
Dépend des conditions aux limites
5%
6%
Etude analogue sur tous les coefficients :
• Résultats similaires
• Dépendance à la taille ou aux CL ± marquées
3,4%
2,3%
Estimation de Keff : moyenne sur 5
microstructures T4 (~150 fibres)
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4. Comportement mécanique
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Effet de la porosité
•
•
Effet aggravant de la porosité sur les problèmes de
séparabilité des échelles
Variation linéaire de Kp en fonction de fp (entre 1% et 7%)
7%
5%
4%
3%
1%
(entre 3% et 5% de porosité)
Pas d’effet sur la séparabilité des échelles,
variations du comportement moyen
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4. Comportement mécanique
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Comportement mécanique (conclusion)
• Critères de séparabilité des échelles non remplis
• Estimation de Keff : moyenne sur 5 microstructures T4
• Comportement moyen sensible à la fraction volumique de porosité
Impact à l’échelle de la structure ?
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4. Comportement mécanique
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Bilan et perspectives
Etat initial
Développements
Résultats
Perspectives
Caractérisation
Ø
Acquisition d’images
Traitements d’images
Caractérisation significative
Macroporosité, 3D
Génération microstr.
1 microstructure
Diamètre constant
Diamètre variable
Procédure itérative
Lien avec les observations
Représentation plus fine ?
3D
Tenseur apparent
CLMI
Séparabilité des échelles
Comportement moyen
Hétérogénéités de contrainte
CLMI
Comparaison des résultats
Echelle supérieure
Comportement méca
1 chargement
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Merci de votre attention
Questions ?
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