Etude de matériaux réfractaires à comportement mécanique non linéaire par mesure de champs de déformations

Strain fields measurements to study the nonlinear mechanical behaviour of refractory materials

• Auteur / Autrice : Younès Belrhiti
• Direction : Marc Huger, Thierry Chotard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance le 09/12/2015
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (1998-2011)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Cutard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Doumalin, Renaud Grasset-Bourdel, Octavian Pop
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Gasser, Zoheir Aboura

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images -- Techniques numériques

Contraintes thermiques

Magnésie

Matériaux réfractaires

Mots clés libres

Titanate d’aluminium

Phénomène de « Crack Branching »

Méthode de recalage par éléments finis

Aluminium titanate

Crack branching phenomenon

Finite element method updating

Résumé

Cette thèse avait pour objectif de mettre en place et d’appliquer les techniques de mesure de champs de déplacements et de déformations (corrélation d’images numériques CIN) pour caractériser le comportement mécanique non linéaire de matériaux réfractaires. L’étude a été réalisée sur différents types de matériaux présentant des degrés variables de flexibilité : un matériau modèle monophasé à base de titanate d’aluminium (TA VF) et des matériaux industriels multi-phasés à base de magnésie. La flexibilité dans le cas du TA VF est obtenue grâce à l’anisotropie de la dilatation thermique entre les trois axes cristallographiques, et dans le cas des matériaux industriels grâce à la différence de coefficients de dilatation entre les agrégats de spinelle et la matrice magnésienne. Ces matériaux industriels ayant une déformation à rupture plus faible, la technique de corrélation d’images a dû être optimisée en ajustant au mieux les conditions expérimentales.La CIN et la méthode de suivi de marqueurs ont permis de mettre en évidence le caractère dissymétrique du comportement mécanique en flexion du TA VF entre la zone de l’éprouvette sollicitée en traction et celle en compression et d’investiguer le déplacement relatif des rouleaux du dispositif de flexion. Cette dissymétrie de comportement engendre un déplacement progressif de la fibre neutre au fur et à mesure que la charge appliquée augmente. Cette technique a ensuite été étendue à d’autres essais tels que l’essai brésilien et le Wedge Splitting appliqués aux matériaux industriels magnésiens. La CIN a ainsi permis d’illustrer les mécanismes de rupture (initiation et propagation de fissures) et de mettre en évidence la présence de phénomènes de « crack branching » obtenus grâce au réseau initial de microfissures volontairement généré au sein du matériau par différentiel de dilatation entre phases dans le but d’améliorer sa résistance aux chocs thermiques. Enfin, à partir des champs de déplacements obtenus par corrélation d’images, la méthode de recalage par éléments finis a été développée et utilisée pour déterminer l’évolution des propriétés élastiques du matériau pendant l’essai.

The present thesis aimed to apply digital image correlation (DIC) used for kinematic fields’ measurements as a support for the experimental characterization of refractory materials with specific non-linear behaviour. Model and industrial materials with different degrees of flexibility were studied. The first type of materials was a single phase model flexible aluminium titanate material (AT VF) developed for academic purposes by improving the grain growth. Its non-linear mechanical behaviour was obtained thanks to the thermal expansion mismatch of its grains according to the different crystallographic axis. The second one is multi-phased magnesia based industrial materials, whose flexibility is less accentuated, and for which the non-linear mechanical behaviour is obtained thanks to the thermal expansion coefficients mismatch between spinel aggregates and magnesia matrix. In order to apply the optical methods on these materials which exhibit lower strain-to-rupture, it was necessary to optimize the accuracy of these techniques by improving experimental conditions.In the case of AT VF, DIC and mark tracking method have been applied on four-points bending test at room temperature to underline the material asymmetric mechanical behaviour which induces a significant shift of the neutral fibre and to evaluate the relative displacement of rolls. The application of DIC has been extended to other experimental testing method such as Brazilian and Wedge Splitting test using the multi-phased magnesia based materials. This highlighted fracture mechanisms (crack occurrence and propagation) and the presence of crack branching phenomenon promoted thanks to an initial micro-cracks network voluntary introduced by thermal expansion mismatch between the different phases so as to improve their thermal shock resistance. From displacement experimentally obtained by DIC, a finite element method updating (FEMU-U) has been developed to determine material properties.