Effets des transformations de phase sur la tenue mécanique à haute température des céramiques réfractaires

Influence of phase transformations on the mechanical behaviour of refractory ceramics at high temperature

¹ LMT-Cachan (ENS de Cachan, UMR 8535 CNRS, Université Paris 6), 61 av. du Président Wilson, 94235 Cachan, France
² IUFM de Créteil (Université Paris-Est Créteil), Place du 8 mai 1945, 93203 Saint-Denis, France
e-mail : nicolas.schmitt@lmt.ens-cachan.fr
³ CNRS-CEMHTI, 1D, avenue de la Recherche Scientifique, 45071 Orléans Cedex 2, France
⁴ Polytech’, Université d’Orléans, 8 rue L. de Vinci, 45072 Orléans Cedex 2, France
e-mail : jacques.poirier@cnrs-orleans.fr

Reçu : 8 Décembre 2009
Accepté : 3 Février 2010

Résumé

Les céramiques réfractaires, utilisées à haute température, sont soumises à d’intenses sollicitations thermochimiques et thermomécaniques. La maîtrise de leur microstructure et des transformations de phases qu’elles subissent en service est essentielle pour assurer une bonne résistance mécanique des structures réfractaires. De grands progrès ont été réalisés : l’association de techniques expérimentales performantes avec de puissants outils numériques (calculs thermochimiques et thermomécaniques) permet aujourd’hui d’obtenir des informations inaccessibles de manière directe (e.g., phénomènes d’endommagement). De même, les outils de modélisation multiphysique et multi-échelle permettent de développer des matériaux plus performants résistant à de plus hautes températures et de manière plus durable. Dans ce papier, on présente certaines interactions entre le comportement mécanique et les transformations de phases de ces céramiques, les moyens développés pour caractériser leur comportement, les techniques d’investigation utilisées pour accéder à leur état microstructural in situ et identifier leur évolution au cours du temps. On expose également quelques démarches mises en œuvre et certains outils développés au cours de ces dernières années, aboutissant aujourd’hui à une meilleure connaissance du comportement en service des céramiques réfractaires et à l’identification de paramètres concernant les matériaux et/ou les procédés permettant d’allonger leur durée de vie.

Abstract

Refractories used at high temperature are subjected to high chemical and mechanical stresses. The mastery of their microstructure as well as the phase changes occurring in service is essential to ensure resistance to wear and failure of refractory linings. Great progress has been made: combining efficient techniques for the investigation of the microstructure with powerful numerical tools (thermo-chemical and thermo-mechanical computations) provides information (e.g., degradation mechanisms) that cannot be obtained directly. Also multi-physical and multi-scale models developping materials with high-performance for higher temperature and with longer life-time. In this paper, through several examples we show some interactions between the mechanical behavior and the microstructure transformations of refractory ceramics. The tools developed to characterize their microstructure change in situ (e.g., at high temperature) and to identify their kinetics are described. Some methodologies and tools developed in recent years, today, provide a better understanding of in-service behavior of refractories while identifying the critical material and process parameters likely to increase life-time.