Prévision de la durée de vie des composites à matrice céramique auto cicatrisante, en fatigue statique, à haute température (= 800°C)

N° d’ordre : 4010

THESE

Présentée à


L’UNIVERSITE BORDEAUX I


ECOLE DOCTORALE DE SCIENCES PHYSIQUES DE L’INGENIEUR

Par Olivier DE MELO – LOSEILLE

Ingénieur E.N.S.M.A
Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechnique

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR

Spécialité : mécanique et ingénierie



Prévision de la durée de vie des composites à matrice céramique
auto cicatrisante, en fatigue statique, à haute température (≤ 800°C)



Soutenue le 15 mars 2010

Après avis de :
M. Gilbert FANTOZZI Professeur INSA de Lyon
M. Alain VAUTRIN Professeur Ecole des Mines de St Etienne

Devant la commission d’examen formée de :
me M Marie Christine LAFARIE – FRENOT Professeur à ENSMA de Poitiers
M. Pierre LADEVEZE Professeur à l’ENS Cachan
M. Jacques LAMON Directeur de Recherche CNRS
M. Thierry CUTARD Maître – assistant Ecole des Mines d’Albi
M. Laurent GUILLAUMAT Professeur à l’ISAT de Nevers
M. Eric MARTIN Professeur à l’Université de Bordeaux
M. Michel CATALDI Ingénieur Snecma Propulsion Solide

Résumé
La rupture différée d’un composite SiC/SiC a été étudiée en fatigue statique, sous air, aux
températures intermédiaires (500°C-800°C). Les résultats expérimentaux (durée de vie, loi de
comportement en traction, déformation) et les fractographies ont permis d’identifier les modes de
rupture de fibre qui interviennent dans la rupture différée. Un modèle mécanique probabiliste multi-
échelle a été développé pour simuler le comportement en fatigue et prévoir la durée de vie. La
microstructure est décrite par des distributions statistiques identifiées à partir des résultats de l’étude
fractographique. Des diagrammes d’endurance du composite en fatigue ont été calculés pour prévoir
la durée de vie. Ces derniers confirment que la tenue du composite est dictée par les fils. La
modélisation montre que la microstructure joue un rôle déterminant sur la durée de vie et sa
variabilité. Des relations microstructures-propriétés sont établies. Le lien entre contrainte résiduelle et
durée de vie est également examiné. Une approche fiabiliste sur les échantillons à information faible
est menée à l’aide de l’inférence bayésienne. Les résultats concordent avec l’approche mécanique.


Prediction of lifetime in static fatigue,
at high temperatures for ceramic matrix composites

Abstract
Delayed failure of SiC/SiC woven composite is studied under static fatigue, in air, for intermediate
temperatures (500°C – 800°C). Experimental results and fractographic examination are used to
identify damage mechanisms. A multi-scale probabilistic facture based model is proposed to simulate
damage kinetics in longitudinal tows. Microstructure is described with appropriate statistical
distributions identified on fractographic investigations. Simulations demonstrate a significant effect of
the microstructure on the lifetime of the tows. Microstructure – properties relations are established.

Mots clés
Fatigue statique, rupture différée, fissuration sous critique, durée de vie, cinétique d’endommagement,
approche statistique probabiliste multi-échelle, phénomènes stochastiques, échantillon à information
faible, fiabilité, diagramme d’endurance SPT, modélisation micro-macro, relations microstructures-
propriétés.

Key words
Static fatigue, delayed failure, slow crack growth, lifetime, damage kinetics, multi-scale statistical
approach, reliability, SPT diagrams, microstructure – properties relationship.


Laboratoire des Composites ThermoStructuraux – UMR5801
3, Allée de La Boétie
33600 PESSAC
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Remerciements

Ces quatre années au LCTS constituent une expérience mémorable tant sur le plan humain
que sur le plan professionnel. Je remercie le CNRS, l’Université de Bordeaux 1 et Snecma Propulsion
Solide pour leur soutien financier qui m’a permis de mener mes travaux de recherche dans
d’excellentes conditions.
Je remercie Messieurs Alain GUETTE et Francis TEYSSANDIER, directeurs successifs du
Laboratoire des Composites ThermoStructuraux, pour leur accueil et l’attention qu’ils ont portée à ce
travail.
J’adresse tout particulièrement mes remerciements à mon directeur de thèse Monsieur
Jacques LAMON (Directeur de recherche CNRS) à l’origine de ce sujet de recherche. Grâce à sa
confiance, à sa disponibilité et à ses conseils avisés, cette thèse m’a beaucoup appris sur le plan
scientifique et pédagogique. Nos échanges constructifs m’ont apporté méthodologie et esprit
d’analyse. J’ai pu également mettre en valeur diverses compétences grâce à une grande liberté
d’action. L’autonomie dont j’ai bénéficié a été une source de satisfaction qui m’a permis de m’épanouir
quotidiennement dans cette expérience.

Je suis particulièrement sensible à l’intérêt que Messieurs Gilbert FANTOZZI (INSA Lyon) et
Alain VAUTRIN (Ecole des Mines de St Etienne) ont bien voulu porter à ce travail. Je remercie
également Madame Marie-Christine LAFARIE-FRENOT (ENSMA Poitiers) et Messieurs Pierre
LADEVEZE (ENS Cachan), Eric MARTIN (Université de Bordeaux), Thierry CUTARD (Ecole des
Mines d’Albi), Laurent GUILLAUMAT (ISAT Nevers) et Michel CATALDI (SPS Le Haillan) pour avoir
examiné ce travail et participé au jury.

Je suis très reconnaissant à Muriel ALRIVIE, Bruno HUMEZ, Vincent COURONEAU, Patrick
WEISBECKER, Thierry MALARD et William BERNARD pour leur aide précieuse grâce à laquelle une
grande partie de ce travail a pu être menée à bien. Je remercie Gaëlle FAYOLLE, ingénieur à Snecma
Propulsion Solide, pour son suivi grâce auquel j’ai pu comprendre les enjeux industriels rattachés à ce
travail.

Merci aux administrateurs Patrick THIZON et Gil HOSTEIN qui ont su traiter les procédures
administratives avec succès. Leur travail a été soutenu par Josette FORGET, Florence CROIZER et
Christian DUHAU qui forment une équipe redoutablement efficace.

J’exprime également toute ma reconnaissance aux permanents, aux doctorants, aux
stagiaires pour leur contribution.

Enfin, je témoigne toute ma gratitude à mes parents qui m’ont toujours soutenu et encouragé
en respectant mes choix. Je les remercie de m’avoir permis de faire des études dans d’excellentes
conditions tout au long de ces années. Mes pensées vont aussi à Alice pour sa patience et son écoute
sans failles. Merci.
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Introduction générale

Les composites à matrice céramique (CMCs) sont constitués d’une matrice renforcée par des
fibres céramiques continues. En plus d’être très réfractaires, ces composites présentent un
comportement mécanique non fragile et une faible densité. Ces caractéristiques thermiques et
mécaniques les rendent intéressants pour les applications aéronautiques et spatiales car ils
conjuguent légèreté et bonne résistance aux conditions sévères de température, de pression et
d'environnement.
Les CMCs sont sensibles à la rupture différée en fatigue sous faibles contraintes aux
températures intermédiaires (500°C - 800°C). Lorsqu’ils sont soumis à des contraintes inférieures à
leur contrainte de rupture, ils subissent un affaiblissement qui n'entraîne pas leur ruine immédiate. La
rupture se produit au terme d’un temps fini non nul : c’est la rupture différée. La durée de vie d'un
système (mécanique, électrique…) est le temps au terme duquel ce système ne remplit plus sa
fonction. Dans le cadre de ces travaux de thèse portant sur les composites SiC/SiC, la durée de vie
correspond à la rupture complète du matériau. Dans certaines applications, le matériau est considéré
défaillant avant sa rupture en raison d’une perte de caractéristiques physiques ou chimiques.

La durée de vie des CMCs est dictée par les fils longitudinaux dont la cinétique
d’endommagement est régie par des phénomènes d’oxydation du renfort fibreux. Les travaux
[Laforet2009] [Gauthier2007]antérieurs sur fil et monofilament ont montré que ces phénomènes d’oxydation
[Lamouroux2001] activent la fissuration sous critique des fibres. La fissuration sous critique es