Approche expérimentale et numérique de la plasticité des verres métalliques massifs

Les verres métalliques massifs (VMM) sont de nouveaux matériaux qui possèdent des propriétés mécaniques exceptionnelles, comme leur résistance mécanique, leur résilience, leur dureté ou leur ténacité ainsi qu’une grande déformation élastique. Pour concevoir de nouvelles compositions de verres métalliques plus résistants et plus ductiles, une parfaite compréhension des mécanismes de déformation, d’endommagement et de rupture est nécessaire. La prédiction numérique du comportement de ces matériaux nécessite une modélisation avancée. L’étude de la déformation plastique (sous forme de bandes de cisaillement localisées), la prise en compte des effets de la température, de la vitesse et de la pression sont des paramètres nécessaires. Dans les travaux présentés ici, des essais multiaxiaux et hétérogènes sont utilisés pour étudier la plasticité dans les verres métalliques massifs. Les essais de compression diamétrale et d'indentation réalisés permettent d'obtenir des trajets de chargement et des taux de triaxialité très différents. En plus des informations de force et de déplacement sur ces essais, l'attention a été portée sur l'obtention des champs de déplacement dans la zone d'intérêt pour l'essai de compression diamétrale, en utilisant un dispositif de corrélation d'images. Pour reproduire le comportement des VMM, plusieurs modèles constitutifs sont étudiés : les modèles de Mises (plasticité déviatorique) et Drucker Prager (dépendance à la pression) ainsi que les modèles de Gao et Anand et Su (dédiés aux métaux amorphes). Ces modèles sont utilisés dans le code de calcul par éléments finis Abaqus. A travers de multiples identifications sur les coefficients décrivant la plasticité des VMM, les performances de ces modèles sont évaluées et ils sont alors comparés aux résultats expérimentaux obtenus

ESTIMATION OF ANISOTROPIC ELASTIC PROPERTIES OF CARBON FIBERS USING NANOINDENTATION

Understanding the mechanical behavior of carbon fiber reinforced polymers requires knowledge on the deformation behavior of carbon fibers, they are highly anisotropic and heterogeneous. Nanoindentation is an efficient method for determining the mechanical properties in small volumes of materials. For isotropic materials, a single nanoindentation test can evaluate an elastic properties of the material. But for anisotropic material, the difficulty increases since measured indentation modulus depends on five elastic parameters (El,Et,Glt, νlt,and νtt) of the material. Nanoindentation experiments are performed on carbon fibers orientated between 0° to 90° at ten different orientations to the fiber axis. From theoretical models given by Vlassak et al. and Delafargue and Ulm, the elastic constants are predicted numerically by comparing the results of indentation modulus versus orientation angle with the experiments

Pressure sensitivity of plasticity in metallic glasses below glass transition: a literature review

International audienceThis paper deals with the pressure dependence of plasticity in metallic glasses below glass transition. Recent results indicate that some metallic glasses have such a dependence and that it increases with temperature (Keryvin et al., Phil. Mag., 88, 1773, 2008). We investigate the possibility that such a situation could be a common feature for all metallic glasses by performing a literature review. Results indicate that it is not straightforward to draw decisive conclusions

Multi-mechanism modeling of amorphous polymers

International audienceThe paper is devoted to a multi-mechanism (MM) model for the mechanical behavior of amorphous glassy polymers. A finite strain formulation through updated Lagrangian formalisms is used. In the proposed phenomenological model, three mechanisms are respectively associated to three physical regimes of plastic deformation. The model was successful in describing the stress-strain behavior of glassy polymers for different strain rates and range of temperatures. The description of the three regions observed in the monotonic stress-strain curves is obtained through a coupling matrix between the isotropic hardening variables. A modular strategy based on the determination of the material parameters in three steps is proposed

High temperature elasticity and viscosity of GexSe1-x glasses in the transition range

International audienceThe viscous-flow behavior and temperature dependence of the elastic moduli of chalcogenide glasses from the germanium-selenium system were studied by means of homemade high-temperature indentation setup and resonant-frequency technique (1-10 kHz), respectively, for temperatures between 0.8 and 1.2×Tg. The softening rates, both in the elastic and in the viscous-flow regimes, were correlated to network destructuration or reorganization events in the light of previously reported high-temperature neutron-scattering data. The concomitant change of Poisson's ratio (ν) and the thermodynamic parameters of the thermally activated viscous-flow process were characterized and provide a new basis for the understanding of the sources for the softening in the transition range. The temperature dependence of ν suggests weak changes of the network cross-linking degree at large Ge contents. On the contrary, in the case of a-Se, a steep fragmentation of the structural units is inferred from the ν(T) data, and the flow process is accompanied by a huge entropy change (activation entropy at saddle point). The entropy contribution at Tg (Tg ×dSa) represents more than 50% of the activation enthalpy for flow (dHa) and increases with the selenium content. Hence the free activation energy (dGa) is much smaller than apparent activation energy as derived from viscosity data

Elastic properties and surface damage resistance of nitrogen-rich (Ca,Sr)-Si-O-N glasses

International audienceCa and Sr-based oxynitride glasses with very high nitrogen content have been synthesized using metal hydrides as primary precursors. Values of Young's modulus, shear modulus, bulk modulus and Poisson's ratio were determined by means of ultrasonic echography. Vickers micro-indentation has been used to characterize hardness and indentation fracture toughness behaviour. Elastic moduli were found to increase linearly with nitrogen content, with the highest value of Young's modulus at 135 GPa, for a Ca-glass with 58 e/o of nitrogen. The Sr-glasses exhibit lower elastic moduli than Ca glasses. Poisson's ratio, hardness, indentation fracture toughness, crack initiation load and surface damage resistance were found to increase with increasing nitrogen content for both glass series. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved

Ténacité et pré-fissuration par fatigue de verres métalliques massifs ZrCuAlNi : influence de l'oxygène

Une étude sur la ténacité de verres métalliques massifs ZrCuAlNi a été menée sur des échantillons, qui avec une très faible teneur en oxygène, qui avec une faible teneur en oxygène (contenant des défauts oxydes). On montre que la ténacité, au contraire des autres propriétés mécaniques, est fortement diminuée par la présence de ces défauts lors d'essais sur éprouvettes entaillées. Des essais de préfissuration par fatigue ont été menés sur des éprouvettes de flexion : si celles avec les verres contenant des dendrites ont été couronnées de succès, celles avec les verres complètement amorphes n'ont pas été concluantes du fait de l'apparition de fissures non perpendiculaires à la sollicitation. Il est supposé que cet état de fait est inhérent au matériau, ce qui ne s'observe pas habituellement du fait du caractère endommageant et guidant des défauts oxydes présents dans les échantillons étudiés dans la littérature

Caractérisation de la résistance en compression de structures composites Carbone-Epoxy haute performance dans le nautisme de compétition

Les matériaux composites Carbone/Epoxy à fibres hautes performancessontdes matériaux de premier choix pour la conception/fabrication de structures utilisées dans des conditions extrêmes. Ils présentent toutefois des résistances moindres en compression, d’autant plus importantes que le module d’élasticité des fibres est élevé. La prédiction analytique de leur rupture en compression est délicate, de par les mécanismes engagés. La caractérisation expérimentale n’est également pas aisée, les tests de compression axiale conduisant généralement à une rupture de la structure par flambement et non par rupture du matériau. Cette dernière constatation soulève la question de savoir si la résistance en compression d’un matériau composite est une propriété du matériau ou une propriété de la structure étudiée. Cette problématique est discutée ici par la réalisation d’une étude comparative entre un modèle et une campagne expérimentale en flexion 4pts réalisée sur différentes structures et configurations matériau

Champ de pression non isotrope approchant le champ des contraintes d'indentation d'un verre

Selon Yoffe (1982), les contraintes générées lors de l'indentation d'un verre relèvent d'une «plasticité non-orthodoxe» au sens d'une déformation irréversible non isovolume. Intervient un phénomène de densification où sa définition simple d'une inclusion sphérique tronquée équivalente utilise un champ uniforme de pression non isotrope approchant celui des contraintes «élasto-pseudo-plastique-densifiant». Un tel champ se compose d'un écrasement vertical réparti sur une surface circulaire et d'une expansion radiale; il approche le champ irréversible assimilé à la superposition du champ élastique de Boussinesq (1885) et d'un champ «d'ampoule». L'approximation de cette équivalence entre champ de pression uniforme non isotrope et champ élasto-plasto-densifiant est obtenue par troncature d'une série de Fourier; nos résultats semi-analytiques s'efforcent de dépendre explicitement du coefficient de Poisson et incitent à de futurs développements expérimentaux et théoriques

A multilayer model for describing hardness variations of aged porous silicon low-dielectric-constant thin films

One of the authors (K.R.) wants to thank Pr. Lazhar Haji for her proposal of a research stay at Laboratoire d'Optronique, CNRS-UMR FOTON 6082, Université de Rennes 1, France. The authors also wish to thank Dr. M. Gendouz (Laboratoire d'Optronique, CNRS-UMR FOTON 6082, Université de Rennes 1), J. Le Lannic (CMEBA, Université de Rennes 1), Pr. C. Mathieu (CCML Université d'Artois, Faculté Jean Perrin de Lens, France), and V. Hague (ENSAM Lille, France) respectively for their help with sample preparation, HR SEM or SEM observations and assistance as regards English.This paper reports on the micro-instrumented indentation of a porous silicon structure obtained by anodization of a highly p+-doped (100) silicon substrate aged over 1 week. The three-layer structure obtained consists of oxidized porous silicon (cap-layer), porous silicon (inner-layer) and silicon substrate. The hardness curve has the typical “U shape” of low-dielectric-constant films when the indentation depth rises: the early decrease in hardness, due to the soft inner layer, is followed by an increase, due to the hard substrate. A multilayer model is developed to account for hardness variation with respect to the applied load. This model considers the crumbling of the cap-layer and of the inner porous structure. As a result, it is shown that considering the minima in the U shape gives an over-estimated value when it comes to assessing the coating hardness. In our experiment, this minimum depends on both the hardness and the thickness of the oxidized cap layer, but not on the mechanical properties of the substrate, even for indentation depths slightly lower than the film's thickness