Relation between microstructure, mechanical state and crack propagation in alumina composites processed from nanocomposite powders
Relation entre la microstructure, l'état mécanique et la fissuration de cermets alumine chrome élaborés à partir de poudres nanocomposites
Résumé
Alumina chromium composites are obtained by hot pressing of powders elaborated by reactive milling of aluminium, alumina and chromium oxides powders. Various composites have been characterised, corresponding to different volume fraction of chromium and different processing routes. A microstructural study has been made for a better knowledge of the different phases in the powders and in the dense samples (notably the minority phases). A micromechanical approach has been used for the determination of the local stress field, generated during cooling, after the hot pressing of powders, coming from the difference between thermal expansion coefficients and thermo-mechanical properties of the phases. These differences and stress states that could conduct to damaging the composite and crack initiation, can be advantageously used to reinforce the composite, locally depending on the size and distribution of the reinforcement phase. Results from calculation have been compared to the experimental result of mean stress determination in the phases, using the synchrotron radiation. To analyse the behaviour of the microstructure and mechanical state in relation with the crack propagation, an experimental set-up of Hertzian indentation (indentation of a plane sample with a sphere) has been used to analyse the crack mode of the dense samples. Results from microstructure study, calculations and crack analysis have been compared to analyse the influence of microstructure and mechanical state on the crack behaviour in the two-phases alumina chromium composites. Concrete ways of improvement and optimisation of the microstructure in regard to the crack propagation resistance have been brought out.
Les composites alumine-chrome sont obtenus par pressage à chaud de poudres provenant du broyage réactif entre des poudres d'aluminium, d'alumine et d'oxydes de chrome. Différents types de composites ont été caractérisés : ils correspondent à des fractions volumiques de chrome comprises entre 5 et 36% et différentes voies d'élaboration. Une étude microstructurale a été menée pour mieux connaître les différents constituants et les différentes phases des poudres mais aussi des échantillons massifs (notamment ceux qui sont minoritaires). Une approche micromécanique est utilisée pour déterminer le champ de contraintes internes, générées lors du refroidissement après le pressage des poudres, du fait des différences existant entre les coefficients de dilatation thermique et les propriétés thermo-mécaniques des phases. Ces différences et ces contraintes pouvant conduire à la détérioration et à la fissuration du composite pourraient peut-être aussi être utilisées avec avantage et renforcer le composite, du moins localement selon les tailles et dispositions relatives de la phase métallique. Les résultats des calculs par éléments finis ont été confrontés aux résultats expérimentaux de détermination des contraintes moyennes dans les phases, obtenus en utilisant le rayonnement synchrotron. Pour évaluer le comportement de la microstructure et des contraintes internes vis à vis de la fissuration, une procédure d'indentation de type hertzien (indentation d'un échantillon plan par une sphère) a été mise en place pour analyser le mode de fissuration des échantillons massifs. Les résultats issus de l'étude de la microstructure, des calculs et de la fissuration sont comparées pour analyser l'influence de la microstructure et des champs locaux de contraintes sur le comportement et les trajectoires des fissures dans des composites biphasés alumine-chrome. Des voies concrètes d'amélioration voire d'optimisation des microstructures au regard de la résistance à la fissuration en sont ainsi dégagées.