Mécanismes d'endommagement dans les matériaux composites à matrice d'alliage de titane renforcée par des filaments de carbure de silicium

Damage mechanisms in SiC/Ti composites

¹ Laboratoire des Composites Thermostructuraux, UMR 5801 (CNRS – UB1 – SNECMA-CEA), Domaine Universitaire, 3 allée de la Boétie, 33600 Pessac, France
² ONERA, DMSE, 29 avenue de la Division Leclerc, 92322 Châtillon Cedex, France

Auteur de correspondance : martin@lcts.u-bordeaux.fr

Reçu : 10 Juin 2003
Accepté : 7 Novembre 2003

Résumé

Les hautes propriétés spécifiques des matériaux composites à matrice d'alliage de titane renforcée unidirectionnellement par des filaments de carbure de silicium permettent d'envisager leur emploi pour des applications aéronautiques. Après une brève description des constituants et du mode d'élaboration, les principaux mécanismes d'endommagement sont présentés. Les ruptures de filaments sont observées dans le cas d'une sollicitation longitudinale tandis que la rupture de l'interface est mise en évidence dans le cas d'une sollicitation transverse. Diverses approches multiéchelles destinées au dimensionnement de pièces en composite SiC/Ti sont ensuite envisagées. Une analyse basée sur la description du mécanisme de rupture des filaments permet d'estimer la contrainte à la rupture dans le cas d'une sollicitation longitudinale. Une méthode de transformation de champ permet d'obtenir une loi de comportement prenant en compte les contraintes résiduelles de fabrication. Elle est utilisée pour le calcul d'un disque de compresseur de turboréacteur renforcé circonférentiellement par un composite SiC/Ti.

Abstract

Titanium matrix composites made with a titanium alloy matrix reinforced with silicon carbide filaments have demonstrated potential for propulsion applications because of their excellent specific properties. Possible applications include hoop reinforced components such as bladed rings. Damage mechanisms in such composite materials are presented as revealed by mechanical testing. Filament fracture is observed in the case of longitudinal loading while interface fracture is dominant in the case of transverse loading. Various multiscale analysis can be used to predict the mechanical behaviour of SiC/Ti composites. For a longitudinal loading, an approach based on the description of the development of filament fractures allows to evaluate the fracture stress of the composite. A transformation field method is used to derive a constitutive law of the composite which takes into account the residual stresses after elaboration. In this case, computation results concerning a disk reinforced by a composite ring are provided.