Résumé des phénomènes physiques observés et leurs conséquences . 151

Dans les essais, nous avons rencontré des arcs à l’ouverture du contact et à sa fermeture. Il se crée également des ponts fondus à l’ouverture. Selon les situations, les phénomènes physiques associés sont différents. Leur liste est définie dans le tableau 5.1.

Dans le cas de la machine Saturne, il n’y a des arcs qu’à l’ouverture. On ne rencontre donc que les effets associés à celle-ci, et bien entendu l’effet du cyclage. Les conditions AC-3 génèrent des arcs à l’ouverture et à la fermeture, on rencontre donc la panoplie complète des effets cités dans le tableau 5.1.

5.1.2 Problème physique considéré dans ce chapitre et

procé-dure numérique associée

L’approche proposée dans ce chapitre s’intéresse avant tout à l’effet d’un arc, en prenant en compte le champ thermique qu’il génère pour en déduire les champs de contrainte et de déformation. En simulant cette action sur un grand nombre d’impacts, nous disposons de données qui peuvent servir d’entrée à un modèle d’amorçage de fissure.

Tableau 5.1 – Phénomènes physiques observés dans les essais et leurs conséquences

– Arc à l’ouverture : — fusion, vaporisation ; — érosion ;

— explosion ;

— mouvement dans le métal liquide, avec démixtion et éjection de goute-lettes.

– Arc à la fermeture : — fusion, vaporisation ; — érosion ;

— explosion ;

— mouvement dans le métal liquide, avec démixtion et éjection de goute-lettes ;

— effet de l’impact, avec étalement du bain fondu et cassure (arrachement) des zones fragiles ;

— soudure.

– Pont liquide à l’ouverture : — vaporisation ;

— explosion ;

— arrachement de matière. – Effet du cyclage :

— amorçage de fissures.

Précédemment, nous avons vu que des fissures s’amorcent dans le matériau de contact, comme illustré en figure 3.26. Ces fissures s’enfoncent en général dans la pastille per-pendiculairement à la surface libre (figure 3.31). Elles peuvent également présenter des cheminements plus complexes comme une bifurcation après une propagation de l’ordre du millimètre (figure 3.34). Cette bifurcation est certainement liée aux changements de géométrie et de composition chimique au voisinage de la surface, qui engendrent des redistributions de contrainte et génèrent des champs complexes de contraintes résiduelles. Nous souhaitons dans un premier temps mettre l’accent sur l’étape d’amorçage, c’est-à-dire l’apparition d’une fissure de quelques centaines de micromètres. Le phénomène est très précoce, et peut être visible sur des coupes pour quelques centaines à quelques milliers de cycles, en fonction des conditions expérimentales. Le tableau 5.2synthétise les informations obtenues sur des rivets testés avec la machine Saturne et sur des pastilles en conditions AC-3.

Tableau 5.2 – Synthèse des données expérimentales concernant la fissuration des pastilles

Essai I ouverture (A) Cycles Figure Fissures Longueur (µm)

Saturne 150 1000 B.1 2 525-775 Saturne 300 10 000 B.17 2 800-1120 Saturne 600 738 B.2 1 940 AC-3 100 80 000 3.51b 3 380 AC-3 100 160 000 3.51c 4 200-500 AC-3 100 240 000 3.51d 4 90-380 AC-3 100 240 000 3.51d 4 90-380 AC-3 100 311 000 3.51e 8 120-570 AC-3 100 333 000 3.51f 4 100-160 AC-3 100 554 000 3.51g 7 140-630

Nous allons montrer que l’apparition de fissure peut être expliquée par le phénomène de fatigue thermo-mécanique engendré par l’accumulation d’arcs. Nous mettons en œuvre un modèle thermo-mécanique par éléments finis, qui permet de calculer l’évolution des champs de déformations et de contraintes. Le résultat dépend en premier lieu de la géométrie et du matériau. Nous considérons qu’à cette étape les pastilles ont conservé leur géométrie initiale. On fera donc le calcul thermique sur une géométrie non déformée. En ce qui concerne la composition chimique, nous testerons plusieurs configurations, avant tout une distribution uniforme à 12% d’oxyde dans l’argent, mais aussi deux cas, comportant en surface des zones enrichies (à 24%) ou appauvries (argent pur) en oxyde. Ces répartitions de matériau sont très simplifiées par rapport aux observations expérimentales dans la mesure où on observe des amas d’argent locaux plutôt qu’une couche uniformément répartie (voir la figure 3.51) et même des amas d’oxyde d’étain (cf.figure 3.54) si bien qu’on ne peut prétendre représenter pleinement le processus, en particulier dans sa composante aléatoire. Ce sera le but du chapitre suivant. Pour le moment, nous considérons que la présente représentation conserve un sens au moins qualitatif, en mettant en lumière l’effet d’un arc qui serait répété toujours au même point d’impact.

En résumé, cette modélisation prendra en compte les champs thermiques, y compris la fusion locale du matériau, sans représenter explicitement ce qui se passe en phase liquide. L’érosion est négligée. La distribution d’impacts sur toute la surface de la pastille n’est pas prise en compte. L’évolution de la composition est représentée de façon phénoménologique et prise en compte dans le comportement du matériau. Le modèle se concentre sur l’apparition de fissures.

L’arc électrique est modélisé par une densité de flux de chaleur variable dans le temps et l’espace, appliquée à la surface de la pastille. Il s’agit de la donnée qui pilote l’ensemble du problème ; c’est pourquoi nous étudions son effet, sur le cas du rivet Saturne et sur le cas AC-3. Les résultats du problème mécanique n’influençant pas la thermique, les deux calculs sont effectués l’un après l’autre. La première étape du calcul fournit l’évolution des champs de température, en résolvant les équations de la chaleur. Ces champs sont utilisés en entrée du calcul mécanique, afin d’évaluer les contraintes internes générées. La répétition des impacts fatigue le matériau, générant à terme l’amorçage de fissures. L’estimation de la durée de vie doit s’effectuer à partir d’un état mécanique stabilisé, c’est pourquoi le calcul est mené sur plusieurs dizaines de cycles. Le modèle d’amorçage de

du nombre d’arcs conduisant à l’apparition d’une fissure macroscopique.

Le code de calcul par éléments finis utilisé pour résoudre les problèmes de thermique et de mécanique est le code Z-Set [35]. Pour un arc, les champs de température sont calculés en régime transitoire puis injectés dans le calcul mécanique. Dans les paragraphes suivants, nous proposons d’abord un modèle axisymétrique, dont l’axe est le centre de l’arc. Ce type de modèle est pertinent dans le cas d’un arc fixe. Nous montrons le résultat de l’accumulation de plusieurs arcs qui arriveraient au même endroit sur la pastille. Ensuite, nous proposons un modèle à trois dimensions sur une demi-pastille de contact, pour simuler l’effet d’un arc mobile se déplaçant du centre vers la périphérie de la pastille.

5.2 Modèle axisymétrique pour un arc fixe