Titre original :

Contribution à l'analyse par diffraction des rayons X de l'état microstructural et mécanique des matériaux hétérogènes

Mots-clés en français :
  • Élasticité
  • Aluminium -- Alliages
  • Revêtement métallique
  • Microscopie électronique en transmission
  • Rayons X -- Diffraction
  • Contraintes (mécanique)
  • Déformations (mécanique)
  • Composés intermétalliques
  • Microstructure (physique)
  • Composites à matrice céramique
  • Milieux hétérogènes (physique)
  • Couches minces métalliques

  • Langue : Français
  • Discipline : Sciences physiques
  • Identifiant : Inconnu
  • Type de mémoire : Habilitation à diriger des recherches
  • Date de soutenance : 01-01-2003

Résumé en langue originale

La méthode d'analyse de contraintes internes par diffraction des rayons X (DRX) à différentes échelles d'observation (microscopique, mésoscopique et macroscopique) est appliquée pour étudier l'état microstructural et mécanique des matériaux hétérogènes. Après une brève présentation du principe des méthodes, de leurs domaines d'application et des limites technologiques (chapitre 1), nous avons montré des exemples d'études sur des matériaux bi-phasés ou composites (chapitre II), sur des matériaux revêtus (chapitre III) et sur des alliages à vocation industrielle (chapitre IV). Avec un alliage intermétallique duplex à base de TiAl, nous avons réussi à déterminer expérimentalement, par des essais in-situ sous un goniomètre, les constantes d'élasticité, le niveau de contraintes internes et la loi de comportement de chaque phase en fonction des différentes microstructures duplexes. Les informations locales, directes et précises obtenues par DRX servent à alimenter la modélisation micromécanique qui donne des résultats cohérents avec les essais mécaniques macroscopiques. Les analyses fines par DRX sur des échantillons « modèles » de composites à matrice céramique (CMC) et sur des micro composites de CMC permettent de quantifier l'état mécanique hétérogène de chaque composant (renfort, interphase et matrice) et de confirmer l'origine thermique des contraintes internes. Les résultats de modélisation en tenant compte uniquement des aspects de dilatations thermiques présentent un bon accord avec ceux obtenus par DRX. Sur des revêtements épais de Cu obtenus par projections thermiques (APS, VPS, IPS et HVOF), la méthode de DRX permet de déterminer les modules d'élasticité avec des essais de traction in-situ et la distribution de contraintes macroscopiques dans l'épaisseur du revêtement et dans le substrat de Nb. Les résultats obtenus ont permis de qualifier les procédés de projection thermique et d'optimiser les propriétés mécaniques recherchées. Se basant sur un modèle métallo-thermo-mécanique par éléments finis et sur des études expérimentales, la modélisation numérique a réussi à prédire le champ thermique, la solidification et les contraintes pour le procédé HVOF. En développant une nouvelle méthode d'analyse qui tient compte de l'état bi-axial de contraintes résiduelles, nous avons pu déterminer, par un essai de traction in-situ sous un goniomètre, la limite d'élasticité d'une couche de TiN sur son substrat en acier. La nouvelle méthode tient compte des interactions entre la couche mince et son substrat dans les domaines élasto-plastiques et plastiques, elle est simple à mettre en oeuvre et à utiliser. En introduisant les informations de l'énergie de déformation et des contraintes internes dans les couches minces métalliques (Cu et Ag), nous avons démontré le rôle non-négligeable de l'énergie de déformation, en plus de l'énergie de surface, dans le grossissement anormal des grains en utilisant les informations microstructurales, notamment l'orientation cristallographique préférentielle des grains. Avec l'analyse des contraintes internes microscopiques par élargissement de raies de DRX, 3 alliages CFC (Al 7475, Al 5083 et inconel 600) déformés plastiquement ont été étudiés afin de suivre l'évolution de la microstructure. Les résultats obtenus par DRX sont très intéressants et riches en information par comparaison aux observations directes effectuées en MET. En plus des informations à l'échelle microscopique, l'élargissement des raies est corrélée avec les paramètres mécaniques macroscopiques, tels que le taux d'écrouissage (dans le présent manuscrit), la dureté et la limite d'élasticité (dans les autres études). L'analyse de l'élargissement des raies est ensuite appliquée pour suivre : l'endommagement en corrosion sous contrainte d'un alliage Inconel 600, ou l'endommagement en déformation plastique et en fatigue oligo-cyclique d'un acier 20CDYO5-08.

  • Directeur(s) de thèse : Foct, Jacques

AUTEUR

  • Ji, Vincent
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