Stress Concentration and Mechanical Strength of Cubic Lattice Architectures

The continuous design of cubic lattice architecture materials provides a wide range of mechanical properties. It makes possible to control the stress magnitude and the local maxima in the structure. This study reveals some architectures specifically designed to reach a good compromise between mass reduction and mechanical strength. Decreased local stress concentration prevents the early occurrence of localized plasticity or damage, and promotes the fatigue resistance. The high performance of cubic architectures is reported extensively, and structures with the best damage resistance are identified. The fatigue resistance and S–N curves (stress magnitude versus lifetime curves) can be estimated successfully, based on the investigation of the stress concentration. The output data are represented in two-dimensional (2D) color maps to help mechanical engineers in selecting the suitable architecture with the desired stress concentration factor, and eventually with the correct fatigue lifetime

A continuous crystallographic approach to generate cubic lattices and its effect on relative stiffness of architectured materials

This original work proposes to investigate the transposition of crystallography rules to cubic lattice architectured materials to generate new 3D porous structures. The application of symmetry operations provides a complete and convenient way to configure the lattice architecture with only two parameters. New lattice structures were created by slipping from the conventional Bravais lattice toward non-compact complex structures. The resulting stiffness of the porous materials was thoroughly evaluated for all the combinations of architecture parameters. This exhaustive study revealed attractive structures having high specific stiffness, up to twice as large as the usual octet-truss for a given relative density. It results in a relationship between effective Young modulus and relative density for any lattice structure. It also revealed the opportunity to generate auxetic structures at will, with a controlled Poisson ratio. The collection of the elastic properties for all the cubic structures into 3D maps provides a convenient tool for lattice materials design, for research, and for mechanical engineering. The resulting mechanical properties are highly variable according to architecture, and can be easily tailored for specific applications using the simple yet powerful formalism developed in this work.The authors acknowledge the financial support from French National Research Agency ANR (LabEx DAMAS, Grant no.ANR-11-LABX-0008-01)

Élaboration et caractérisation de nano-composites métal-Intermétalliques complexes

UnavailableCette étude s'inscrit dans le cadre d'un projet ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie) et a pour objectif la réduction du frottement entre chemise et segments via l'introduction de nouveaux revêtements. Notre rôle était de proposer à nos partenaires des matériaux de revêtements de type métal-intermétalliques complexes aux propriétés de frottement optimisées. Dans un premier temps, nous avons élaboré par frittage à l'état solide des matériaux composites Al/(AlCuFeB)p contenant des particules intermétalliques complexes (alliages quasicristallins de structure icosaédrique du système AlCuFeB) renforçant une matrice d'aluminium pur. Cette partie de l'étude consiste à étudier les cinétiques de transformations de phases résultantes de la diffusion de l'aluminium provenant de la matrice vers les particules icosaédriques. Il a été montré que la déstabilisation de la phase icosaédrique peut être évitée par la création d'une barrière de diffusion via un prétraitement d'oxydation des particules AlCuFeB. Ensuite, l'étude par microscopie électronique a permis d'identifier une nouvelle phase approximante de la phase icosaédrique du système AlCuFe. Il s'agit d'une phase orthorhombique qui à notre connaissance est observée ici pour la première fois. Enfin, les propriétés mécaniques et de frottement de ces nouveaux matériaux sont présentées. Les matériaux composites Al/(AlCuFeB)p élaborés ont des propriétés améliorées par rapport à l'aluminium non renforcé. L'évolution des propriétés est influencée par le taux de particules AlCuFeB et leur état d'oxydation initial. Les propriétés sont améliorées lorsque la fraction volumique de particules augmente mais de façon moindre quand les particules AlCuFeB sont fortement oxydées

Development and Characterization of Metal-Complex Intermetallic Nano-Composites

Cette étude s’inscrit dans le cadre d’un projet ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie) et a pour objectif la réduction du frottement entre chemise et segments via l’introduction de nouveaux revêtements. Notre rôle était de proposer à nos partenaires des matériaux de revêtements de type métal-intermétalliques complexes aux propriétés de frottement optimisées. Dans un premier temps, nous avons élaboré par frittage à l’état solide des matériaux composites Al/(AlCuFeB)p contenant des particules intermétalliques complexes (alliages quasicristallins de structure icosaédrique du système AlCuFeB) renforçant une matrice d’aluminium pur. Cette partie de l’étude consiste à étudier les cinétiques de transformations de phases résultantes de la diffusion de l’aluminium provenant de la matrice vers les particules icosaédriques. Il a été montré que la déstabilisation de la phase icosaédrique peut être évitée par la création d’une barrière de diffusion via un prétraitement d’oxydation des particules AlCuFeB. Ensuite, l’étude par microscopie électronique a permis d’identifier une nouvelle phase approximante de la phase icosaédrique du système AlCuFe. Il s’agit d’une phase orthorhombique qui à notre connaissance est observée ici pour la première fois. Enfin, les propriétés mécaniques et de frottement de ces nouveaux matériaux sont présentées. Les matériaux composites Al/(AlCuFeB)p élaborés ont des propriétés améliorées par rapport à l’aluminium non renforcé. L’évolution des propriétés est influencée par le taux de particules AlCuFeB et leur état d’oxydation initial. Les propriétés sont améliorées lorsque la fraction volumique de particules augmente mais de façon moindre quand les particules AlCuFeB sont fortement oxydées.The present study was performed in the framework of a project funded by the ADEME agency (French Agency for Environment and Energy Management), aiming at the reduction of friction loss in car engines through the introduction of new tribological coatings. Our task was to propose our partners new coating materials based on metal-intermetallic nano-composites with optimized friction properties. In a first part, we have prepared by solid state sintering new Al-based composite materials reinforced by quasicrystalline icosahedral particles Al/(AlCuFeB)p. The kinetics of phase transformations resulting from the diffusion of Al matrix to the quasicrystalline particles was studied. It was shown that the destabilization of the icosahedral phase can be avoided by the creation of a diffusion barrier via an oxidation pre-treatment of the AlCuFeB particles. In a second part, the results of a structural study of the composites by transmission electron microscopy are presented. We also describe a new approximant of the quasicrystalline AlCuFe icosahedral phase. This phase was identified as an orthorhombic phase which, to our knowledge, is observed here for the first time. Finally, the mechanical and friction properties of the composites are presented. We show that the composite materials have improved properties compared to aluminium and that their evolution is influenced by the volume fraction of AlCuFeB particles and their initial state of oxidation. The best properties are obtained when the volume fraction of the particles is increased, but in a less pronounced manner when the AlCuFeB particles are strongly oxidized

Elaboration et Caractérisation de Nano-Composites Métal-Intermétalliques Complexes

Cette étude s inscrit dans le cadre d un projet ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie) et a pour objectif la réduction du frottement entre chemise et segments via l introduction de nouveaux revêtements. Notre rôle était de proposer à nos partenaires des matériaux de revêtements de type métal-intermétalliques complexes aux propriétés de frottement optimisées. Dans un premier temps, nous avons élaboré par frittage à l état solide des matériaux composites Al/(AlCuFeB)p contenant des particules intermétalliques complexes (alliages quasicristallins de structure icosaédrique du système AlCuFeB) renforçant une matrice d aluminium pur. Cette partie de l étude consiste à étudier les cinétiques de transformations de phases résultantes de la diffusion de l aluminium provenant de la matrice vers les particules icosaédriques. Il a été montré que la déstabilisation de la phase icosaédrique peut être évitée par la création d une barrière de diffusion via un prétraitement d oxydation des particules AlCuFeB. Ensuite, l étude par microscopie électronique a permis d identifier une nouvelle phase approximante de la phase icosaédrique du système AlCuFe. Il s agit d une phase orthorhombique qui à notre connaissance est observée ici pour la première fois. Enfin, les propriétés mécaniques et de frottement de ces nouveaux matériaux sont présentées. Les matériaux composites Al/(AlCuFeB)p élaborés ont des propriétés améliorées par rapport à l aluminium non renforcé. L évolution des propriétés est influencée par le taux de particules AlCuFeB et leur état d oxydation initial. Les propriétés sont améliorées lorsque la fraction volumique de particules augmente mais de façon moindre quand les particules AlCuFeB sont fortement oxydées.The present study was performed in the framework of a project funded by the ADEME agency (French Agency for Environment and Energy Management), aiming at the reduction of friction loss in car engines through the introduction of new tribological coatings. Our task was to propose our partners new coating materials based on metal-intermetallic nano-composites with optimized friction properties. In a first part, we have prepared by solid state sintering new Al-based composite materials reinforced by quasicrystalline icosahedral particles Al/(AlCuFeB)p. The kinetics of phase transformations resulting from the diffusion of Al matrix to the quasicrystalline particles was studied. It was shown that the destabilization of the icosahedral phase can be avoided by the creation of a diffusion barrier via an oxidation pre-treatment of the AlCuFeB particles. In a second part, the results of a structural study of the composites by transmission electron microscopy are presented. We also describe a new approximant of the quasicrystalline AlCuFe icosahedral phase. This phase was identified as an orthorhombic phase which, to our knowledge, is observed here for the first time. Finally, the mechanical and friction properties of the composites are presented. We show that the composite materials have improved properties compared to aluminium and that their evolution is influenced by the volume fraction of AlCuFeB particles and their initial state of oxidation. The best properties are obtained when the volume fraction of the particles is increased, but in a less pronounced manner when the AlCuFeB particles are strongly oxidized.NANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Formation and properties of Al composites reinforced by quasicrystalline AlCuFeB particles

International audienceAl-based composites reinforced by icosahedral (i-) Al59Cu25.5Fe12.5B3 quasicrystalline particles were prepared by solid state sintering. It is found that Al diffusion from the matrix to the quasicrystalline particles induces phase transformation into the ω-Al7Cu2Fe tetragonal phase. In order to preserve the i phase, we use an oxidation pre-treatment of the particles and study its influence onto the kinetics of the phase transformation (Al + i → ω) as a function of the temperature by high energy X-ray diffraction. We show that the oxide layer acts as a barrier reducing efficiently the diffusion of Al up to a sintering temperature of 823 K, allowing the control of the phases in the composites. The mechanical properties and the friction behaviour of the composites are investigated and show the negative influence of the oxide on the interface strength

Essai préliminaire de l’application de l’impression 3D à la modélisation physique des massifs rocheux

Cet article présente une étude de l’applicabilité de l’impression 3D (3DP) en modélisation physique des massifs rocheux. Le comportement mécanique des massifs rocheux est contrôlé par les propriétés de la roche intacte, et par la présence des discontinuités rocheuses à différentes échelles. Afin de comprendre l’influence de ces discontinuités sur le comportement mécanique des ouvrages exploités dans un massif rocheux, la 3DP est utilisée pour introduire explicitement les discontinuités dans la modélisation physique. Des joints rocheux artificiels sont fabriqués en polyamide 12 par 3DP (technique de frittage laser SLS). Ils sont caractérisés géométriquement (rugosité, ouverture du joint, présence de ponts rocheux) et mécaniquement (raideur normale et tangentielle, cohésion, angle de frottement) pour reproduire le comportement d’un joint rocheux réel. Les résultats des joints rocheux sont représentés à l’échelle du prototype (échelle 1) en appliquant des lois de similitudes et comparés à des propriétés des joints réels. Finalement, une comparaison entre le comportement mécanique d’un massif rocheux discontinu numérique à l’échelle du prototype et celui d’un modèle réduit ayant les propriétés du PA12 obtenues par 3DP permet de valider la capacité de cette technique à reproduire le comportement d’un massif discontinu à une échelle réduite

Investigation of the Mechanical Behavior of 3D Printed Polyamide-12 Joints for Reduced Scale Models of Rock Mass

International audienc

Quasicrystal-Polymer Composites for Additive Manufacturing Technology

12th International Conference on Quasicrystals (ICQ12), Krakow, POLAND, SEP 01-06, 2013International audienceWe present a new niche application of quasicrystalline powders that leads to a commercially successful development of polymer-matrix composites. The process is based upon selective laser sintering, which is one of the current most powerful additive manufacturing technologies in use in the mechanical industries. Characteristics of the materials produced, such as porosity, friction and wear against hard steel, are evaluated and compared to the state of the art. Insight into the production of metal-matrix composites, using a variant of the technology, is also given