Optimisation des méthodes optiques de mesure de champs de déformation pour la caractérisation du comportement à rupture des réfractaires : Application aux matériaux à base de magnésie

Discipline

Matériaux céramiques et traitements de surface

Classification

Physique,

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Réfractaires, Magnésie-spinelle, Hercynite, Résistance aux chocs thermiques, Comportement à rupture, Zone d’élaboration de la rupture, Corrélation d’images numériques

Mots-clés

Matériaux réfractaires,

Matériaux -- Propriétés thermiques,

Rupture, Mécanique de la

Les briques de magnésie-spinelle et magnésie-hercynite sont fréquemment utilisées dans les fours rotatifs de cimenterie pour leur tenue aux chocs thermiques venant d’une résistance accrue à la propagation de fissures conférée par leur microstructure. Les réseaux de microfissures résultant du différentiel de dilatation thermique entre la matrice magnésienne et les agrégats de spinelle/hercynite favorisent l'activation de mécanismes dissipatifs d’énergie au sein de la zone d’élaboration de la rupture (FPZ) lors d’un chargement mécanique. Dans cette étude, le comportement à la rupture de matériaux modèles à base de magnésie a été étudié en couplant une méthode de corrélation d'images numériques (2P-DIC) adaptée aux problématiques de fissuration avec l’essai de « Wedge Splitting » (WST). Le couplage judicieux de ces méthodes innovantes a fourni des mesures précises des propriétés de rupture et a mis en évidence des mécanismes de rupture caractéristiques, tels que la bifurcation de fissures. L’étude des relations propriété-microstructure a démontré l’impact des microfissures introduites volontairement au sein du matériau sur le comportement thermomécanique de la magnésie-spinelle et la magnésie-hercynite. Malgré des propriétés élastiques et dilatométriques assez similaires entre les inclusions de spinelle et d’hercynite, des mécanismes de microfissuration différents ont été observés, en particulier pour la magnésie-hercynite. En effet, la diffusion entre la magnésie et l’hercynite pendant le frittage a conduit à la formation de solutions solides de spinelles autour des agrégats d'hercynite. Ces solutions solides ont contribué à leur tour à la création de nombreuses microfissures fines par l’effet d’un différentiel de dilatation thermique avec la magnésie. Initialement présents dans la microstructure, les réseaux de microfissures favorisent l’augmentation de l'énergie de rupture des matériaux modèles pendant le WST. De plus, l’analyse des champs de déformation mesurée par 2P-DIC a révélé d’importantes bifurcation de la fissure principale pour les matériaux magnésie-hercynite. Le couplage de la 2P-DIC avec l’essai du WST a démontré que les réseaux de microfissures favorisaient le développement de la FPZ, qui induisait à son tour une augmentation notable de l’énergie de rupture. Dans une approche affinée des courbes-R, des énergies de rupture effectives ont été calculées à l'aide des longueurs de fissure mesurées par 2P-DIC. Cela a permis d'établir des liens étroits entre le développement de la FPZ et une résistance accrue à la propagation de la fissure. Les tendances observées à température ambiante lors des essais de WST ont été confirmées à l’aide d’essais de cyclage dans un nouveau banc de chocs thermiques.