Etude de la frittabilité de composites céramique-métal (alumine-acier inoxydable 316L) - Application à la conception et à l’élaboration de pièces multimatériaux multifonctionnelles architecturées

Study of frittability of metal/ceramic (316L stainless steel/alumina) composites - Application to conception and elaboration of multimaterial, multifunctionnal structured parts

• Auteur / Autrice : Jean-Marc Auger
• Direction : Patrice Goeuriot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 25/02/2010
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : EDSIS 488
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Chaix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Valdivieso, Thierry Chartier, Florence Doré
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jacques Besson, Sylvain Dubois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Acier inoxydable

Alumine

Composites à matrice métallique

Composites à matrice céramique

Frittage (métallurgie)

Mots clés libres

Frittage

Composite

Architecture

Acier inoxydable

Alumine

Sintering

Composite materials

Architecture

Stainless steel

Alumina

Résumé

L’étude porte sur l’élaboration et la caractérisation des propriétés mécaniques de composites architecturés alumine / acier inoxydable 316L. Les matériaux obtenus sont doublement composites dans le sens où ils sont constitués d’un empilement de couches successives (architecture), chacune de ces strates étant elle-même un composite métal/céramique dispersé. Les différents aspects abordés concernent l'élaboration de monolithes composites dispersés par métallurgie des poudres, la détermination des propriétés mécaniques des architectures par mesure et simulation numérique, et la problématique de la réalisation de composites architecturés. L'observation des monolithes a mis en évidence un effet inhibiteur du carbone sur la densification de l'alumine lors du frittage. Des interactions complexes relient le carbone (issu d'un déliantage incomplet), l'acier (et sa microstructure) et le chrome, agissant sur la densité de ce type de matériau, et rendant l'élaboration délicate. Des lois de comportement ont pu être obtenues pour ces composites dispersés, par une approche double mêlant calculs d'homogénéisation (pour l'élasticité) et modèle analytique basé sur des mesures expérimentales (pour la plasticité). Ces lois ont permis la modélisation par éléments finis d'un choc plan à faible énergie sur différentes architectures composites en couches. La comparaison de ces résultats avec des essais expérimentaux a mis en évidence que la présence d'une architecture améliore la résistance au choc par rapport aux monolithes, ainsi que certains paramètres agissant sur la tenue au choc, comme l'épaisseur globale du matériau.

This study deals with forming and mechanical properties characterization of structured composites constituted from alumina and 316L stainless steel. Materials obtained can be considered twice composites, as they are made successive layers (structure), each one being a dispersed ceramic/metal composite by itself. The different aspects of this work cover monolithic dispersed composites elaboration through powder metallurgy, architectures mechanical properties determination through both measurements and numerical simulation, and problems linked to layered composites production. Experiments on monolithic composites have evidenced an inhibiting effect linked with carbon presence on alumina densification during sintering. Complex interactions happen between carbon (residues from imperfect debinding), steel (and microstructures thereof) and chromium, resulting in altered densification, which renders elaboration difficult. Mechanical behaviour laws could be obtained for these dispersed composites, using both behaviour homogenization (for plasticity) and analytic models based on experiments (for plasticity). These laws allowed finite elements modelisation of low energy plane versus plane impact tests for varying layered architectures. Comparison with experimental tests showed that layered structures increase impact resistance compared to monolithic composites, and allowed to determine some parameters, like parts thickness, susceptible to improve it. In spite of imperfect connexion between experimental data and numerical simulation, the latter is sufficient in order to optimize architecture choice.