Damage mechanisms of SiC/SiC composite tubes: three-dimensional analysis coupling tomography imaging and numerical simulation
Mécanismes d'endommagement des tubes composites SiC/SiC: Analyse tridimensionnelle couplée par imagerie tomographique et simulation numérique
Résumé
Du fait de leurs propri´et´es physiques et chimiques exceptionnelles `a haute temp´erature par rapport aux m´etaux, les composites de carbure de silicium (SiC) sont ´etudi´es comme ´eventuel mat´eriau de gainage du combustible nucl´eaire dans les r´eacteurs de fusion ou fission avanc´ee futurs, ainsi que, depuis plus r´ecemment, dans les r´eacteurs `a eau l´eg`ere existants. Les tubes composites SiC/SiC tress´es en 2D, fabriqu´es par proc´ed´e d’infiltration chimique en phase vapeur (CVI), pr´esentent un comportement m´ecanique anisotrope, faiblement d´eformable (∼1%). La maˆıtrise des relations entre la microstructure, l’ endommagement et le comportement macroscopique est essentielle pour optimiser pr´ecis´ement le dimensionnement structurel de ce mat´eriau pour les applications envisag´ees. Un param`etre de fabrication important est l’angle de tressage, angle entre les torons de fibres et l’axe du tube.
L’objectif de ce travail est de fournir une compr´ehension d´etaill´ee de la relation endommagement/microstructure, en particulier des effets de l’angle de tressage sur les m´ecanismes d’endommagement. Dans ce but, une ´etude combinant observations exp´erimentales a` macro et micro-´echelle et simulations num´eriques est men´ee.
Because of their outstanding physical and chemical properties at high temperature, in comparison with metals, silicon carbide (SiC) composite materials are studied as possible nuclear fuel cladding materials either for future advanced fission/fusion reactors, or more recently, for the currently existing light water reactors. 2D-braided SiC/SiC composite tubes, manufactured by chemical vapor infiltration (CVI), exhibit an anisotropic, hardly deformable (∼1%) mechanical behavior. Understanding the relations between the microstructure, the damage mechanisms and the macroscopic behavior is essential to optimize the structural design of this material for the considered applications. One important manufacturing parameter is the braiding angle, i.e. the angle between the fiber tows and the tube axis.
The objective of this work is to provide a comprehensive understanding of the damagemicrostructure relationship, in particular of the effects of the braiding angle on the damage mechanisms. For this purpose, an investigation combining experimental observations at macro and micro-scale and numerical simulations is developed.
The composite tubes are first studied through in situ tensile testing under X-ray computed tomography. Experiments were carried out on the PSICHE beamline at synchrotron SOLEIL using a pink polychromatic beam. The recorded 3D images are processed using the digital volume correlation (DVC) technique, extended by a series of advanced image processing algorithms specifically developed in order to analyze the 3D microstructures, to measure the deformations through the tube thickness, and to detect and quantitatively characterize the network of microcracks created by the mechanical loading. In addition, numerical simulations are performed on the real microstructures as observed in the high-resolution images recorded during the in situ tests. Stress fields are calculated at the microstructural scale in the elastic regime using a numerical tool based on the Fast Fourier Transform (FFT). They help to better understand crack initiation and interpret the experimental observations within one-to-one comparisons. Both the experimental and numerical approaches are applied to three tubes with different braiding angles (30◦, 45◦ and 60◦). The effect of the braiding angle on the initiation and evolution of damage in the bulk of the composite materials can thus be highlighted.
Du fait de leurs propri´et´es physiques et chimiques exceptionnelles `a haute temp´erature par rapport aux m´etaux, les composites de carbure de silicium (SiC) sont ´etudi´es comme ´eventuel mat´eriau de gainage du combustible nucl´eaire dans les r´eacteurs de fusion ou fission avanc´ee futurs, ainsi que, depuis plus r´ecemment, dans les r´eacteurs `a eau l´eg`ere existants. Les tubes composites SiC/SiC tress´es en 2D, fabriqu´es par proc´ed´e d’infiltration chimique en phase vapeur (CVI), pr´esentent un comportement m´ecanique anisotrope, faiblement d´eformable (∼1%). La maˆıtrise des relations entre la microstructure, l’ endommagement et le comportement macroscopique est essentielle pour optimiser pr´ecis´ement le dimensionnement structurel de ce mat´eriau pour les applications envisag´ees. Un param`etre de fabrication important est l’angle de tressage, angle entre les torons de fibres et l’axe du tube.
L’objectif de ce travail est de fournir une compr´ehension d´etaill´ee de la relation endommagement/microstructure, en particulier des effets de l’angle de tressage sur les m´ecanismes d’endommagement. Dans ce but, une ´etude combinant observations exp´erimentales a` macro et micro-´echelle et simulations num´eriques est men´ee.
Les tubes composites sont d’abord ´etudi´es par des essais de traction in situ sous tomographie par rayons X. Les exp´eriences ont ´et´e r´ealis´ees sur la ligne PSICHE du synchrotron SOLEIL sous faisceau rose polychromatique. Les images tridimensionnelles sont analys´ees par la technique de corr´elation d’image volumique (DVC), compl´et´ee par une s´erie d’algorithmes de traitement d’image originaux, d´evelopp´es sp´ecifiquement pour analyser les microstructures 3D, mesurer les d´eformations a` travers l’´epaisseur du tube, d´etecter et caract´eriser quantitativement le r´eseau de microfissures cr´e´ees par le chargement m´ecanique. De plus, les microstructures r´eelles, d´ecrites par les images de haute r´esolution issues des tests in situ, sont utilis´ees dans les simulations num´eriques multi´echelle. Les champs de contrainte a` l’´echelle microstructurale sont calcul´es en r´egime ´elastique par une technique utilisant la transform´ee de Fourier rapide (FFT). Ils permettent de mieux comprendre l’initiation des fissures et d’interpr´eter les observations exp´erimentales par une comparaison directe. Ces approches exp´erimentales et num´eriques sont appliqu´ees `a trois tubes pr´esentant diff´erents angles de tressage (30◦, 45◦ and 60◦). L’influence de l’angle de tressage sur l’initiation et l’´evolution de l’endommagement `a coeur des composites est ainsi mise en ´evidence.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)