Modélisation de la propagation de fissure dans les matériaux céramiques projetés plasma Journée des Jeunes Scientifiques CEA Le Ripault

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Anaïs Thibault
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1 Modélisation de la propagation de fissure dans les matériaux céramiques projetés plasma Journée des Jeunes Scientifiques CEA Le Ripault C. Linardon, R. Estevez, C. Olagnon,J. Chevalier Université de Lyon, INSA-Lyon, MATEIS UMR CNRS 5510 S. Lambert, C. Tallaron CEA Le Ripault

2 Plan 1- Généralités 1.1- Matériau d étude 1.2- Phénomène de fissuration lente 2- Simulation de la fissuration lente 2.1- Pourquoi avoir recours à la simulation 2.2- Modélisation par zones cohésives de la réaction-rupture 2.3- Les besoins de la simulation 3- Microstructure de la zircone projetée plasma 4- Echelles de modélisation 4.1- Simulations à l échelle microscopique 4.2- Simulations à l échelle mésocopique 5- Conclusion et perspectives 2/13

3 Plan 1- Généralités 1.1- Matériau d étude 1.2- Phénomène de fissuration lente 2- Simulation de la fissuration lente 2.1- Pourquoi avoir recours à la simulation 2.2- Modélisation par zones cohésives de la réaction-rupture 2.3- Les besoins de la simulation 3- Microstructure de la zircone projetée plasma 4- Echelles de modélisation 4.1- Simulations à l échelle microscopique 4.2- Simulations à l échelle mésocopique 5- Conclusion et perspectives

4 1- Généralités 1.1- Matériau d étude Zircone Yttriée (Zr0 2 -Y ) projetée plasma Microstructure caractéristique des projetés plasma Gaz plasmagène Schéma du principe d élaboration par projection plasma Microstructure caractéristique 3/13

5 1- Généralités 1.2- Phénomène de fissuration lente Fissuration lente Observations expérimentales : fissuration dépendante de l environnement et de la sollicitation mécanique Processus de réaction rupture Vitesses de propagation : m/s < v < 10-3 m/s Seuil de chargement : K I0 < K I < K Icr Courbes V-K (3 régimes: 1, 2 et 3) Taille de grain + Silice Zircone monocristalline Autres : zircone polycristalline (frittée) K I0 4/13

6 Plan 1- Généralités 1.1- Matériau d étude 1.2- Phénomène de fissuration lente 2- Simulation de la fissuration lente 2.1- Pourquoi avoir recours à la simulation 2.2- Modélisation par zones cohésives de la réaction-rupture 2.3- Les besoins de la simulation 3- Microstructure de la zircone projetée plasma 4- Echelles de modélisation 4.1- Simulations à l échelle microscopique 4.2- Simulations à l échelle mésocopique 5- Conclusion et perspectives

7 2.1- Pourquoi avoir recours à la simulation Essais expérimentaux longs dus aux faibles vitesses de propagation Suivi de la propagation de fissure au cours du temps difficile à mettre en œuvre Cas de la zircone projetée plasma, réseau de fissures préexistantes très développé Petites dimensions des échantillons Objectifs : élaborer un outil prédictif Déterminer un seuil de propagation de fissuration lente K I0 Détermination de la durée de vie du matériau suivant lorsque K I0 >K I >K Icr 5/13

8 2.2- Modélisation par zone cohésive de la réaction-rupture Modèle des zones cohésives Zone cohésive = zone intermédiaire entre milieu discontinu (fissure) et milieu continu (matériau solide) Condition d amorçage de l endommagement de réaction rupture Æ mécanisme Elargissement entre 2 surfaces Relation traction ouverture 6/13

9 2.3- Les besoins de la simulation Caractérisation de la microstructure (Tomographie, MEB) Caractérisation du réseau fissures (FIB, MEB) Définition des échelles de modélisation Fissures intra-lamelles, intercolonnes Délaminations Pores Direction de projection 7/13

10 Plan 1- Généralités 1.1- Matériau d étude 1.2- Phénomène de fissuration lente 2- Simulation de la fissuration lente 2.1- Pourquoi avoir recours à la simulation 2.2- Modélisation par zones cohésives de la réaction-rupture 2.3- Les besoins de la simulation 3- Microstructure de la zircone projetée plasma 4- Echelles de modélisation 4.1- Simulations à l échelle microscopique 4.2- Simulations à l échelle mésocopique 5- Conclusion et perspectives

11 3- Microstructure de la zircone projetée plasma 8/13

12 Plan 1- Généralités 1.1- Matériau d étude 1.2- Phénomène de fissuration lente 2- Simulation de la fissuration lente 2.1- Pourquoi avoir recours à la simulation 2.2- Modélisation par zones cohésives de la réaction-rupture 2.3- Les besoins de la simulation 3- Microstructure de la zircone projetée plasma 4- Echelles de modélisation 4.1- Simulations à l échelle microscopique 4.2- Simulations à l échelle mésocopique 5- Conclusion et perspectives

13 4- Echelles de microstructure Echelle Fissure MACRO 100 µm σ Pore Echelle MESO Multi-Splat Echelle MICRO Granulaire σ Splat Fissure 3,5-5 µm Echelle Microscopique Grain colonnaire 8,5 µm µm 9/13

4.1- Simulations à l échelle microscopique Fissure débouchante sur une zone granulaire (Mode I) Zone raffinée près du fond d entaille Propagation des

14 4.1- Simulations à l échelle microscopique Fissure débouchante sur une zone granulaire (Mode I) Zone raffinée près du fond d entaille Propagation des fissures le long des joints de grains Zones cohésives le long des joints de grains σ Fissure σ Echelle microscopique Maillage et zones cohésives 10/13

15 4.1- Simulations à l échelle microscopique Chargement constant imposé, observation de la propagation Graphes X-t et X-Y pour différents niveaux de chargement Construction de la courbe V-K caractéristique de la microstructure Graphes X-Y et X-t KI = 1,9 Mpa m Répartition de la composante de la contrainte σyy au cours du processus de fissuration(ki = 1,69MPa m) Courbe V-KI (Øgrains 0,8µm) Les courbes V-K obtenues permettent de calibrer les zones cohésives pour le modèle à l échelle mésoscopique. Thèse Marc Romero de la Osa (2009)11/13

16 4.2- Simulations à l échelle mésoscopique Echelle MACRO Echelle Mésoscopique 100 µm Pore Splat Echelle MESO Multi-Splat Splat Fissure 3,5-5 µm Fissure préexistante σ Echelle MICRO Granulaire Fissure Grain colonnaire σ 8,5 µm µm 12/13

17 Plan 1- Généralités 1.1- Matériau d étude 1.2- Phénomène de fissuration lente 2- Simulation de la fissuration lente 2.1- Pourquoi avoir recours à la simulation 2.2- Modélisation par zones cohésives de la réaction-rupture 2.3- Les besoins de la simulation 3- Microstructure de la zircone projetée plasma 4- Echelles de modélisation 4.1- Simulations à l échelle microscopique 4.2- Simulations à l échelle mésocopique 5- Conclusion et perspectives

18 5- Conclusion et perspectives Analyse de la microstructure Mise en évidence de deux échelles d étude Mise en place méthodologie de modélisation Perspectives Approfondir les essais expérimentaux Caractérisation de l endommagement initial Détermination d un seuil d endommagement K I0 (Emission acoustique) Tomographie haute résolution Développer le modèle Echelle microscopique Echelle mésoscopique 13/13

19 19/35

20 Représentation schématique de la Méthodologie des zones cohésives pour décrire le mécanisme de réaction rupture Processus de rupture d une liaison Si-O-Si du nanotube en présence d une molécule d eau. Structure soumise à une contrainte de traction Activation du processus de réaction rupture Représentation schématique de la réponse de la zone cohésive face à un test de relaxation uniforme entre deux blocs élastiques Relaxation Condition de rupture n = ncr Endommagement

21 Polycristal ceramique anisotrope avec contraintes initiales du au refroidissement 21/35

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