Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique de la matière complexe IPMC

Spectroscopie mécanique de la relaxation des contraintes d'interface dans les composites à matrice métallique

Couteau, Olivier ; Schaller, Robert (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3068.

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    Summary
    Metal matrix composites are known for their excellent specific mechanical properties. Nevertheless, because of the thermal expansion mismatch between the matrix and the reinforcements, thermal stresses arise at the interfaces of such materials. In order to relax these stresses, dislocations are emitted from the interface and propagate in the matrix, which can influence the mechanical behavior of the composite material. Mechanical spectroscopy, which characterizes the ability of a solid to dissipate energy under an external excitation, was used to study the relaxation mechanisms occurring at the interface of MMCs. Indeed, the mobile matrix dislocations near the interface are the main sources of damping, making this technique very sensitive to these mechanisms. Composites studied here were processed by gas-pressure infiltration of the reinforcement preform by the molten metal. The processed composites were based on aluminum, magnesium and Mg-2%Si alloy, which is known for its high damping level. They were reinforced by short misorientated alumina fibers or long and aligned carbon and silicon carbide fibers. In the case of long fibers, two types of orientation were obtained: parallel or perpendicular to the composite axis. In order to modify the interface morphology, a heat treatment was carried out on aluminium matrix composites reinforced by alumina fibers during the infiltration process. By increasing the contact time between the molten matrix and the fibers, alumina crystals were formed on the surface of the fibers, whose size increased with time. The specific elastic moduli of the processed composites were clearly superior to those of matrix alone and their value agreed well with the existing theoretical models. Composites were submitted to thermal cycles from 120 K to 500 K and the internal friction and dynamical modulus were measured as a function of temperature. It was shown that the behavior of these two parameters, the large maximum at low temperatures and the modulus anomaly in the case of magnesium composites was driven by the motion of the dislocations activated in the matrix in order to relax thermal stresses. The internal friction was also characterized by a transient contribution, depending on the heating or cooling rate dT/dt and the excitation frequency ω. By using a model developed by Mayencourt and al., it was possible to determine two parameters C1 and C2 which were sensitive respectively to the mobile dislocation density relaxing the thermal stresses and the interface strength. The difference in the behavior of these two parameters as a function of temperature tended to show the great potential of the magnesium matrix composites. Indeed, the interface strength was decreasing at low temperature, allowing a better toughness whereas it was increasing at high temperature, improving the creep resistance. Finally, in the case of the aluminum matrix composites reinforced by short fibers with alumina crystals at the interface, it was observed that the elastic modulus was decreasing as crystal size increased. However, when the crystals exceeded a certain size, they were acting as pinning points between matrix and fibers, resulting in the increase of the modulus almost to its initial value. By determining the parameter C1 from the transient damping, it was shown that this parameter followed the same trend as the elastic modulus, which made it a good probe for the interface quality.
    Résumé
    Les matériaux composites à matrice métallique (MMCs) sont caractérisés par d'excellentes propriétés mécaniques spécifiques. Néanmoins, à cause de la différence de dilatation thermique entre la matrice et les renforts, des contraintes thermiques apparaissent à l'interface des composants. Afin de relaxer ces contraintes, des dislocations sont émises dans la matrice qui peuvent avoir un effet sur le comportement mécanique du matériau. La spectroscopie mécanique, qui caractérise la capacité d'un solide à dissiper de l'énergie lorsqu'il est soumis à une sollicitation mécanique, a été utilisée pour étudier les mécanismes de relaxation se déroulant à l'interface des MMCs. En effet, les dislocations émises dans la matrice à partir de l'interface lors de cycles thermiques sont la source majeure d'amortissement, rendant cette technique très sensible à de tels mécanismes. Les composites étudiés ont été élaborés par infiltration sous pression gazeuse d'une préforme contenant les renforts de type céramique par du métal liquide. Les composites élaborés sont à matrice aluminium, magnésium et alliage Mg-2%Si connu pour son fort pouvoir d'amortissement. Ils sont renforcés par des fibres courtes et désorientées d'alumine ou des fibres longues et alignées de carbone et carbure de silicium. Dans le cas des fibres longues, deux types d'orientation des fibres ont été obtenus : parallèlement ou perpendiculairement à l'axe du composite. Afin de faire varier la morphologie des interfaces, un traitement thermique a été employé durant l'infiltration des composites à matrice aluminium renforcés par des fibres d'alumine. En augmentant le temps de contact entre la matrice liquide et les fibres, des cristaux d'alumine se forment à la surface des fibres dont la taille augmente avec ce temps. Les modules élastiques spécifiques des composites élaborés sont nettement supérieurs à ceux des matrices seules et ils sont en accord avec les modèles théoriques existants. Les composites ont subi des cycles thermiques entre 120 K et 500 K pendant lesquels le frottement intérieur ainsi que le module dynamique ont été mesurés en fonction de la température. Il est montré que le comportement de ces deux grandeurs, du maximum de l'amortissement à basse température et de l'anomalie de module dans le cas des matrices magnésium est contrôlé par le mouvement des dislocations émises dans la matrice pour relaxer les contraintes thermiques. Le frottement intérieur est aussi caractérisé par une contribution transitoire, qui dépend de la vitesse de chauffage ou de refroidissement dT/dt et de la fréquence d'excitation ω durant les cycles thermiques. En employant un modèle développé par Mayencourt et al., il est possible de déterminer deux paramètres C1 et C2 sensibles respectivement à la densité de dislocations mobiles relaxant les contraintes thermiques et à la force de l'interface. La différence de comportement de ces deux paramètres en fonction de la température entre les composites à matrice magnésium et ceux à matrice aluminium tend à montrer le grand potentiel des composites à matrice magnésium. En effet, la force de l'interface faiblit à basse température, assurant une bonne ténacité alors qu'elle augmente à haute température, améliorant ainsi la tenue en fluage. Enfin, dans le cas des composites à matrice aluminium renforcés par des fibres courtes, où des cristaux d'alumine sont présents à l'interface, il est observé que le module élastique décroît quand la taille des cristaux augmente. Cependant, quand les cristaux dépassent une certaine taille, ils commencent à agir comme des ancreurs entre la matrice et les fibres et le module élastique augmente jusqu'à atteindre sa valeur initiale. En déterminant le paramètre C1 à partir des mesures du frottement transitoire, il est montré que ce paramètre suit la même tendance que le module élastique, ce qui fait de ce paramètre un bon indicateur de la qualité de l'interface.