Effect of the porosity on the fracture surface roughness of sintered materials: From anisotropic to isotropic self-affine scaling

To unravel how the microstructure affects the fracture surface roughness in heterogeneous brittle solids like rocks or ceramics, we characterized the roughness statistics of post-mortem fracture surfaces in home-made materials of adjustable microstructure length-scale and porosity, obtained by sintering monodisperse polystyrene beads. Beyond the characteristic size of disorder, the roughness profiles are found to exhibit self-affine scaling features evolving with porosity. Starting from a null value and increasing the porosity, we quantitatively modify the self-affine scaling properties from anisotropic (at low porosity) to isotropic (for porosity larger than 10 %).Comment: 10 pages, 10 figures, Physical Review E in Jan 2015, Vol. 91 Issue

Fluctuations of global energy release and crackling in nominally brittle heterogeneous fracture

The temporal evolution of mechanical energy and spatially-averaged crack speed are both monitored in slowly fracturing artificial rocks. Both signals display an irregular burst-like dynamics, with power-law distributed fluctuations spanning a broad range of scales. Yet, the elastic power released at each time step is proportional to the global velocity all along the process, which enables defining a material-constant fracture energy. We characterize the intermittent dynamics by computing the burst statistics. This latter displays the scale-free features signature of crackling dynamics, in qualitative but not quantitative agreement with the depinning interface models derived for fracture problems. The possible sources of discrepancies are pointed out and discussed

LOW VELOCITY SURFACE FRACTURE PATTERNS IN BRITTLE MATERIAL: A NEWLY EVIDENCED MECHANICAL INSTABILITY

International audienceThe occurrence of various instabilities at very high speed is well known to occur in brittle fracture and significant advances have recently been obtained in the understanding of their origin. On the other hand, low speed brittle crack propagation under pure tension loading (mode I) is usually thought to yield smooth crack surfaces. The experimental investigation reported here questions this statement. Steady cracks were driven in brittle glassy polymers (PolyMethyl Methacrylate - PMMA) using a wedge-splitting geometry over a wide range of low velocities (10-9- 10-1 m/s). Three distinct patterns can be observed on the post-mortem fracture surfaces as crack velocity decreases: perfectly smooth at the highest speed, regularly fragmented at intermediate speed and macroscopically rough at the lowest speed. The transition between the two latter is reminiscent of chaotic transition

Influence Of Parameters On Mechanical Properties Of Thermoplastic Polymers Obtained By Fused Filament Fabrication (FFF)

Fused filament Fabrication (FFF) is one of the typical Rapid Prototyping (RP) process that can fabricate prototypes from various model materials. To predict the mechanical behaviour of FFF parts, it is necessary to understand their material properties, and the effect that the FFF build parameters have on this later. In this study, two thermoplastic polymers (ABS and PLA), obtained by two open source 3D printers are studied. The key printing parameters that we looked into were: layer height, pattern geometry and % of infill density, by keeping constant the fabrication orientation, perimeter overlap, velocity of deposit and model temperature. In the main body of this study, we provided a detailed description of the influence of these parameters on rigidity (Young Modulus) and yield stress (0.2 % of strain). For this purpose, Taguchi’s statistical experimental design technique was applied and compared to full design’s one. The results obtained from Taguchi’s method show that layer height and pattern geometry has no effect on the Young Modulus, as well as pattern geometry on Re0.2 response in the studied range of infill density, whereas true infill density potentially affects the considered responses. In addition, the layer height may also affect slightly the yield stress response. Moreover, a good concordance of Young Modulus evolution versus infill density has been observed for both ABS and PLA materials, as well as two experimental design methods

On the difference in material structure and fatigue properties of polyamide specimens produced by fused filament fabrication and selective laser sintering

The present paper describes the influence of both flexure quasi-static and fatigue loading on polyamide 12 (PA12) specimens fabricated by fused filament fabrication (FFF) and selective laser sintering (SLS) processes. Rectangular prisms (ISO 178:2010) of polymer were printed and tested under sinusoidal three-point bending fatigue loading at a frequency of 5 Hz. The differences in porosity, surface roughness, and degree of crystallinity are systematically measured and linked to the mechanical fatigue properties. Fatigue analysis in the visco-elastic domain of the polymer is fully described, from fatigue behavior to energy analysis. Here, we have shown that the fatigue properties of the FFF specimens are found to be higher than those of the SLS specimens, despite their lower degree of crystallinity (more than four times). The presence of pores and their growth during fatigue tests in the sintered PA12 specimen seem to be responsible. The fatigue loss factor analysis shows that at lower stress levels, PA12 material reveals its characteristic slight visco-elastic dissipation and heating as its lifetime was exhausted. Also, the obtained results of additively manufactured PA12 were compared with those of materials obtained by injection molding (IM) and extrusion techniques. The quasi-static flexural properties of PA12 obtained by FFF and SLS processes reveal better character istics compared to IM and extruded specimens. However, the fatigue properties of the SLS-processed polymer are 24% and 40% less than those of materials obtained by IM and extrusion

The effect of build orientation on both flexural quasi-static and fatigue behaviours of filament deposited PA6 polymer

The present paper aims to study the effect of manufacturing build orientation on both flexural quasi-static and fatigue behaviours of semi-crystalline polyamide 6 obtained by Fused Filament Fabrication (FFF), by considering the porosity and surface roughness. The glass transition temperature, melting temperature, and crystallinity degree were measured complementary to understand better the process. Fatigue analysis is here fully described in visco-elastic domain of material. The results highlight that the XZ build orientation is better than the XY one and suggest that porosity plays an important role. The obtained results are also compared with conventional techniques given by the literature review

Flexural quasi-static and fatigue behaviours of fused filament deposited PA6 and PA12 polymers

The present paper aims to compare study the effect of porosity and degree of crystallinity on both quasi-static and fatigue behaviours of PA6 and PA12 specimens obtained by the fused filament fabrication (FFF). The glass transition and melting temperatures were measured complementary to understand better the process. Fatigue analysis is here described in visco-elastic domain of material. The results highlight that the mechanical and fatigue properties of PA 12 are better than those of PA6, in spite of almost amorphous state of PA12. Besides, porosity did not reveal the expected influence on these properties. The obtained results are also compared with conventional techniques given by the literature review

CARACTÉRISATION ET MODÉLISATION THERMO-MÉCANIQUES DES ASSEMBLAGES MÉTAL-CÉRAMIQUE ÉLABORÉS PAR THERMOCOMPRESSION

On a souvent recours à des assemblages métal-céramique pour des systèmes complexes couplant les propriétés, souvent opposées, des alliages métalliques et des céramiques. Les besoins industriels pour de hautes températures d'utilisation, en milieu corrosifs, restent toujours difficiles à satisfaire de façon fiable. Deux céramiques techniques industrielles ont été retenues pour cette étude : le carbure de silicium SiC et l'alumine Al2O3. Elles ont été assemblées à un superalliage de Nickel réfractaire (HAYNES™214®), selon le procédé de thermo-compression sous vide, par l'intermédiaire d'un joint métallique de faible épaisseur. La forte réactivité du SiC avec le nickel a conduit à rechercher une barrière de diffusion entre l'alliage et la céramique. Un joint d'argent ne formant aucun siliciure a permis d'éviter cette réactivité et a conduit ainsi à des tenues mécaniques en cisaillement significatives (45 MPa). Pour l'alumine (Al2O3), nous nous sommes orientés vers l'utilisation de joints de nickel, peu réactif avec cet oxyde. Cependant la différence de coefficient de dilatation thermique entre la céramique (Al2O3) et les métaux (Ni et HAYNES™214®) conduit à de fortes concentrations de contraintes résiduelles à l'interface. Une simulation par éléments finis, en utilisant le code ABAQUS, a permis de localiser le champ de contraintes résiduelles dans ce type d'assemblage. Une comparaison entre un calcul élasto-plastique et un calcul élasto-visco-plastique a été réalisée. La distribution des contraintes est sensible à l'épaisseur du joint de nickel ainsi qu'aux dimensions et formes respectives de l'alliage et de la céramique. Il a ainsi été montré que le calcul élasto-visco-plastique est indispensable pour caractériser la liaison Al2O3/Ni/HAYNES™214®, contrairement à des liaisons Al2O3/Ni/Al2O3 étudiées plus classiquement. De plus, les contraintes de tension dans la céramique sont beaucoup plus importantes pour l'assemblage alumine/alliage métallique que pour l'assemblage alumine/alumine. Ceci est retrouvé expérimentalement par les résultats de caractérisation mécanique (cisaillement, délamination) de ces deux types d'assemblage et par des mesures expérimentales de contraintes résiduelles par indentation et par diffraction des rayons X. La fragilisation de l'alumine près de l'interface est un phénomène connu dû essentiellement à la diffusion du métal de liaison et au frottement entre le joint métallique et l'alumine. Une corrélation entre la ténacité, l'intensité des contraintes résiduelles et le piégeage de charges électriques a été montrée. Enfin, l'étude de joints multicouches Cu-Ni-Cu a permis d'accommoder les contraintes et d'améliorer la résistance de l'assemblage Alumine/HAYNES™214®. De plus, la préoxydation des joints de cuivre côté alumine, reproduisant ainsi la méthode de l'eutectique, ouvre une voie quant à une utilisation des assemblages pour de hautes températures (> 1200 °C) et l'industrialisation du procédé pour de grandes séries

Caratérisation et modélisation thermo-mécaniques des assemblages métal-céramique élaborés par thermocompresion

On a souvent recours à des assemblages métal-céramique pour des systèmes complexes couplant les propriétés, souvent opposées, des alliages métalliques et des céramiques. Les besoins industriels pour de hautes températures d utilisation, en milieu corrosifs, restent toujours difficiles à satisfaire de façon fiable. Deux céramiques techniques industrielles ont été retenues pour cette étude : le carbure de silicium SiC et l alumine Al2O3. Elles ont été assemblées à un superalliage de Nickel réfractaire (HAYNES 214®), selon le procédé de thermo-compression sous vide, par l intermédiaire d un joint métallique de faible épaisseur. La forte réactivité du SiC avec le nickel a conduit à rechercher une barrière de diffusion entre l alliage et la céramique. Un joint d argent ne formant aucun siliciure a permis d éviter cette réactivité et a conduit ainsi à des tenues mécaniques en cisaillement significatives (45 MPa). Pour l alumine (Al2O3), nous nous sommes orientés vers l utilisation de joints de nickel, peu réactif avec cet oxyde. Cependant la différence de coefficient de dilatation thermique entre la céramique (Al2O3) et les métaux (Ni et HAYNES 214®) conduit à de fortes concentrations de contraintes résiduelles à l interface. Une simulation par éléments finis, en utilisant le code ABAQUS, a permis de localiser le champ de contraintes résiduelles dans ce type d assemblage. Une comparaison entre un calcul élasto-plastique et un calcul élasto-visco-plastique a été réalisée. La distribution des contraintes est sensible à l épaisseur du joint de nickel ainsi qu aux dimensions et formes respectives de l alliage et de la céramique. Il a ainsi été montré que le calcul asto-visco-plastique est indispensable pour caractériser la liaison Al2O3/Ni/HAYNES 214®, contrairement à des liaisons Al2O3/Ni/Al2O3 étudiées plus classiquement. De plus, les contraintes de tension dans la céramique sont beaucoup plus importantes pour l assemblage alumine/alliage métallique que pour l assemblage alumine/alumine. Ceci est retrouvé expérimentalement par les résultats de caractérisation mécanique (cisaillement, délamination) de ces deux types d assemblage et par des mesures expérimentales de contraintes résiduelles par indentation et par diffraction des rayons X. La fragilisation de l alumine près de l interface est un phénomène connu dû essentiellement à la diffusion du métal de liaison et au frottement entre le joint métallique et l alumine. Une corrélation entre la ténacité, l intensité des contraintes résiduelles et le piégeage de charges électriques a été montrée. Enfin, l étude de joints multicouches Cu-Ni-Cu a permis d accommoder les contraintes et d améliorer la résistance de l assemblage Alumine/HAYNES 214®. De plus, la préoxydation des joints de cuivre côté alumine, reproduisant ainsi la méthode de l eutectique, ouvre une voie quant à une utilisation des assemblages pour de hautes températures (> 1200 C) et l industrialisation du procédé pour de grandes séries.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Electric charge trapping, residual stresses and properties of ceramics after metal/ceramics bonding

International audienceThe use of ceramic components in electrical engineering and mechanical applications is rapidly increasing. Most of these applications require the use of ceramics bonded with metal. In this paper,we have studied the role of residual stresses occurring after joining between an industrial alumina ceramic (Al2O3) and Ni-based super-alloy, on the dielectric behaviour of ceramics. The electric charging phenomenon i.e. trapping-detrapping or diffusion of electric charges is studied by Scanning Electron Microscope Mirror Effect (SEMME) coupled with the Induced Current Method (ICM). Knowing that localized trapped charges in ceramics is a source of damage, the correlation between residual stress intensity, apparent-toughness of ceramics and ability to trap charges near the interface was demonstrated: the SEMME and ICM measurements of the quantities of trapped charges near the interface, highlighted the changes in the ceramic properties related to residual stresses due to both thermo-mechanical effect and diffusion of metallic species in the ceramics, during the bonding process