Thèse soutenue

Mécanismes d'endommagement des tubes composites SiC/SiC : analyse tridimensionnelle couplée par imagerie tomographique et simulation numérique

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Auteur / Autrice : Yang Chen
Direction : Karam Sab
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique
Date : Soutenance le 22/11/2017
Etablissement(s) : Paris Est
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
Jury : Président / Présidente : Gérard Louis Vignoles
Examinateurs / Examinatrices : Karam Sab, Hervé Trumel, Lionel Gélébart, Camille Chateau, Michel Bornert
Rapporteurs / Rapporteuses : François Hild, James H. Marrow

Résumé

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Du fait de leurs propriétés physiques et chimiques exceptionnelles à haute température par rapport aux métaux, les composites de carbure de silicium (SiC) sont étudiés comme éventuel matériau de gainage du combustible nucléaire dans les réacteurs de fusion ou fission avancée futurs, ainsi que, depuis plus récemment, dans les réacteurs à eau légère existants. Les tubes composites SiC/SiC tressés en 2D, fabriqués par procédé d'infiltration chimique en phase vapeur (CVI), présentent un comportement mécanique anisotrope, faiblement déformable (~ 1%). La maîtrise des relations entre la microstructure, l’endommagement et le comportement macroscopique est essentielle pour optimiser précisément le dimensionnement structurel de ce matériau pour les applications envisagées. Un paramètre de fabrication important est l'angle de tressage, angle entre les torons de fibres et l'axe du tube. L'objectif de ce travail est de fournir une compréhension détaillée de la relation endommagement-microstructure, en particulier des effets de l'angle de tressage sur les mécanismes d’endommagement. Dans ce but, une étude combinant observations expérimentales à macro et micro-échelle et simulations numériques est menée. Les tubes composites sont d’abord étudiés par des essais de traction in situ sous tomographie par rayons X. Les expériences ont été réalisées sur la ligne PSICHE du synchrotron SOLEIL sous faisceau rose polychromatique. Les images tridimensionnelles sont analysées par la technique de corrélation d’image volumique (DVC), complétée par une série d'algorithmes de traitement d'image originaux, développés spécifiquement pour analyser les microstructures 3D, mesurer les déformations à travers l'épaisseur du tube, détecter et caractériser quantitativement le réseau de microfissures créées par le chargement mécanique. De plus, les microstructures réelles, décrites par les images de haute résolution issues des tests in situ, sont utilisées dans les simulations numériques multi-échelle. Les champs de contrainte à l’échelle microstructurale sont calculés en régime élastique par une technique utilisant la transformée de Fourier rapide (FFT). Ils permettent de mieux comprendre l'initiation des fissures et d’interpréter les observations expérimentales par une comparaison directe. Ces approches expérimentales et numériques sont appliquées à trois tubes présentant différents angles de tressage (30 °, 45 ° et 60 °). L’influence de l'angle de tressage sur l'initiation et l'évolution de l’endommagement à cœur des composites est ainsi mise en évidence