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L’objectif ici est de caractériser finement la microstructure d'un système de freinage et d’en identifier le comportement mécanique. Les garnitures de frein destinées au TGV possèdent des formulations complexes avec environ une vingtaine de composants différents. Afin de faciliter la compréhension des mécanismes mis en jeu lors de la sollicitation, le matériau d’étude est quant à lui limité à une dizaine de composants. Le procédé de fabrication consiste en une étape de pesage prédéfini des différents constituants, ils sont ensuite mélangés et pressés dans un moule et enfin un frittage est effectué. Le matériau d’étude obtenu est représenté ci-dessous avec une coupe reconstruite de tomographie. On peut apprécier l’aspect fortement hétérogène des garnitures de frein.

Une garniture de frein et son observation tomographique révélant les différents éléments la constituant [Serrano-Munoz 16].

La microstructure de la garniture a été analysée à l’aide de la microtomographie (éprouvettes de diamètre 5 mm). Les fractions volumiques de chaque composant ont été déterminées. Une bonne correspondance des résultats avec les données du partenaire industriel a été soulignée. Une orientation privilégiée du graphite, qui présente une forme ellipsoïdale, a été mise en évidence avec une orientation plutôt dirigée dans le plan horizontal. Ce constat est à relier au processus de fabrication et plus précisément à l’étape de pressage.

Processus de labellisation des constituants de la garniture de frein à partir de données tomographiques. La distribution de l'angle entre le diamètre de Feret et le plan (x,z) est également représentée [Serrano-Munoz 16].

Dans un second temps, des essais de compression ont été effectués. La garniture de frein avec sa texture aléatoire a permis l’utilisation de la corrélation d’images volumiques, ainsi des champs de déplacements ont été estimés à différentes étapes de la compression. Les champs de déformations ont été obtenus par dérivation des champs de déplacements. Ces deux types de champs sont représentés ci-dessous. Des bandes de déformations apparaissent nettement et se confondent avec le réseau de graphite. Finalement, ces analyses permises par la microtomographie permettent de conclure que pour cette échelle d’observation, la garniture de frein se réduit à un bi-matériau avec les graphites d’une part et le reste d’autre part.

Champs de déplacements et de déformations obtenus à partir de la tomographie et mise en évidence de l'importance du réseau de graphite sur la localisation de la déformation [Serrano-Munoz 16].

Dans un dernier temps, des propriétés mécaniques du bi-matériau ont été identifiées. Une méthode de recalage inverse [Avril 08] a été mise en place; elle compare les résultats numériques avec ceux obtenus expérimentalement et minimise la différence des deux. Les inconnues ici étaient les modules de Young de chaque composant. Les valeurs obtenues à la fin de la procédure de recalage sont 2,7 GPa pour le graphite et 10 GPa pour la matrice et des champs numériques et expérimentaux très ressemblants sont obtenus.

Procédure de recalage inverse pour l'identification des propriétés mécaniques de la garniture de frein [Serrano-Munoz 16].

 

[Avril 08] Avril, S., Bonnet, M., Bretelle, A. S., Grédiac, M., Hild, F., Ienny, P., ... & Pierron, F. (2008). Overview of identification methods of mechanical parameters based on full-field measurements. Experimental Mechanics, 48(4), 381.

[Serrano-Munoz 16] Serrano-Munoz, I., Magnier, V., Mann, R., & Dufrénoy, P. (2017). Original methodology using DIC to characterize friction materials compression behavior. In International Digital Imaging Correlation Society (pp. 55-58). Springer, Cham.

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