Caractérisation mécanique de matériaux hétérogènes par indentation instrumentée : dialogue modèle/expérience

Mechanical characterization of heterogeneous materials using the instrumented indentation : numerical/experimental dialogue

• Auteur / Autrice : Amine Bousselham
• Direction : Francine Roudet, Philippe Dufrénoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 08/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle - LGCgE - Laboratoire de Génie Civil et géo-Environnement
• Jury : Président / Présidente : Éric Charkaluk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Magnier, Anne-Lise Cristol, Itziar Serrano Munoz, Didier Chicot, Alex Montagne
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gérard Mauvoisin, Sylvain Philippon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Freins

Trains à grande vitesse

Décomposition orthogonale aux valeurs propres

Essais par ultrasons

Essais de compression

Tomographie

Indentation des matériaux

Milieux hétérogènes (physique)

Propriétés mécaniques

Matériaux de frottement

Mots clés libres

Indentation instrumentée

Heterogeneous materials

Braking

Instrumented indentation

Tomography

Numerical/experimental dialogue

Mechanical characterization

Résumé

La caractérisation mécanique des matériaux présentant des hétérogénéités dans un contexte de chargement multiaxial reste un défi. La difficulté est d’ordre multi-échelle car l’impact de la microstructure, des propriétés des composants et de leurs interactions jouent fortement sur les propriétés macroscopiques. Dans cette thèse, un matériau dédié à la friction en freinage, élaboré à partir d’une vingtaine de composants, est étudié. L’objectif est d’une part de quantifier ses propriétés mécaniques, et d’autre part de mieux comprendre les phénomènes microstructuraux associés ainsi que le rôle de chaque constituant. Pour ce faire, une démarche basée sur un dialogue numérique/expérimental est proposée autour de l’essai d’indentation. Le choix de cet essai est motivé par la nature du chargement, en situation de freinage, qui regroupe une compression uniaxiale accompagnée d’un cisaillement. L’indenteur sphérique « Brinell » a été choisi. Deux types de caractérisation par essai d’indentation sont effectués. Le premier est un essai de macro-indentation Brinell à l’échelle globale, qui a pour objectif de caractériser le matériau de friction ; le second permet une caractérisation à l’échelle des composants, via un essai original d’indentation sous micro-tomographe. Pour conforter les mesures, des essais de compression uniaxiale et d’ultrasons ont été effectués. La quantification a été proposée à partir d’une méthode de recalage inverse couplée à une méthode de décomposition de loi de comportement (en modes de Kelvin). Cette dernière permet de réécrire le problème initial en découplant les propriétés sur un certain nombre de modes indépendant permettant ainsi de travailler plus aisément dans le cadre des matériaux anisotropes.

The mechanical characterization of heterogeneous materials in a multiaxial loading context remains a challenge. The difficulty is multi-scale because of the impact of the microstructure, the property of the components and their interactions that strongly influence the macroscopic properties. In this PhD thesis, a material dedicated to braking friction, developed from around twenty components with different sizes, is studied. The objective is on the one hand to quantify its mechanical properties, and on the other hand to better understand the associated microstructural phenomena and the role of each constituent. To do this, an approach based on a numerical / experimental dialogue is proposed around the indentation test. The choice of this test is motivated by the nature of the loading during the braking, which is manifested by a uniaxial compression coupled with shearing. The « Brinell » spherical indenter was chosen to perform the tests. Two types of characterization by indentation test are carried out. The first is a Brinell macro-indentation test on a global scale, which aims to characterize the friction material; the second allows characterization at the component scale, using an innovative indentation test under a micro-tomograph. In order to comfort the measurements, uniaxial compression and ultrasounds tests were carried out. The quantification was proposed from an inverse registration method coupled with the decomposition of the constitutive law (in Kelvin modes). This method enables to rewrite the initial problem by uncoupling the properties on a certain number of independent modes thus making it possible to work more easily in the context of anisotropic materials.