Afin d’optimiser le procédé de production de culasses automobiles en aluminium et d’améliorer sa fiabilité, une meilleure connaissance du comportement des noyaux de fonderie est nécessaire. Les noyaux sont des matériaux composés de grains de sable liés par une résine en faible proportion, et servent à mouler les conduits et cavités intérieurs des pièces métalliques. Au cours de leur cycle de vie, les noyaux sont amenés à subir de fortes températures et des sollicitations mécaniques complexes. L’objectif de cette étude est de caractériser le comportement thermomécanique des noyaux sous diverses sollicitations selon le taux de liant, la température et surtout l’état de dégradation de ce liant. En particulier, les travaux de cette thèse s’attardent sur les mécanismes d’endommagement et de fissuration des noyaux, dont la compréhension est la clé pour optimiser l’étape de débourrage qui consiste en la fracturation et l’élimination des noyaux. Les résultats de cette thèse serviront par ailleurs à nourrir un modèle numérique simulant le débourrage des pièces. Différents modes de chargements mécaniques ont été étudiés : flexion, compression, cisaillement, push-out, fatigue, fluage ou encore compression œdométrique. Ils correspondent à différents types de sollicitations, avec ou sans confinement du noyau, et permettent de caractériser soit le cœur ou la surface du matériau. L’endommagement peut être suivi grâce à la réalisation de cycles de décharge-recharge. Dans tous les cas, le comportement mécanique du noyau est fortement dépendant des propriétés et de l’état du liant. Ainsi, la dégradation thermique induite par la coulée de l’aluminium liquide modifie et dégrade nettement les propriétés du noyau. Des parallèles peuvent ainsi être dressés entre les propriétés du liant, le comportement mécanique du matériau sable/résine et l’endommagement microstructural observé après rupture. / Better knowledge about the mechanical behavior of foundry sand cores is required in order to optimize the aluminum cylinder head production process. Sand cores allow the casting of complex shape metallic parts and are made of sand grains, bound with a resin in low proportion. Sand cores are subjected to high temperatures and complex mechanical load during the production process. This study aims at characterizing the thermomechanical behavior of sand cores under various loads depending on the binder proportion, the temperature and mostly the binder thermal degradation. Particularly, we focus on the cores damage and fracture mechanisms. The understanding of such phenomena could lead to an optimization of the decoring step, consisting in the fracture and removing of the core from the metallic part. Indeed, the results of this Ph.D. thesis will be used to implement a numerical model of the decoring process. Different kinds of mechanical loads have been studied: bending, compression, shear, push-out, fatigue, creep or also oedometric tests. They correspond to different kinds of load, with or without confining pressure and allow a characterization of the bulk or the surface of the material. The core damage is followed by mechanical tests with unload-reload cycles sequences. For all the cases, the core mechanical behavior is highly dependent on the binder properties and thermal degradation. For example, the thermal degradation induced by the aluminum casting modifies and degrades significantly the core properties. Analogies could be drawn between the binder properties, bonded-sand cores mechanical behavior and the evolution of the fracture surfaces.

Les cavités intérieures des culasses d'aluminium sont réalisées à l'aide de noyaux de sable, qui sont constitués d'un mélange de silice et d'une résine Polyuréthane. Ils sont placés dans le moule métallique juste avant la coulée. Durant celle-ci, ils subissent la pression métallo-statique et sont soumis à des températures élevées. Sous ces conditions extrêmes, avec l'apparition de parois de plus en plus fines et de formes plus complexes, les noyaux peuvent présenter des déformations qui induisent des défauts dimensionnels sur les pièces finales.Pour contrôler la déformation des noyaux, il faut d'abord disposer d'une caractérisation robuste de leur propriétés thermiques et mécaniques, qui puisse être utilisée dans des calculs de structures simulant le flux de métal liquide, la solidification et les champs thermiques. Cette approche n'est pas encore pratiquée de façon complète dans l'industrie. Une revue de la littérature confirme que cette connaissance n'est que très parcellaire pour le moment.Le travail a donc d'abord été concentré sur la caractérisation expérimentale du comportement thermomécanique et des propriétés thermophysiques des noyaux de fonderie et du liant résine.Ensuite, un modèle de comportement capable de prendre en compte la viscosité du matériau, son endommagement, et surtout son évolution en fonction du temps et de la température en raison de la dégradation thermique du liant résine a été développé.Une éprouvette technologique a finalement été conçue et un protocole expérimental a été mis en place pour mesurer la déformation d'un noyau durant la coulée et de valider numériquement le modèle de comportement sous des chargements thermiques et mécaniques complexes. / The inner cavities of aluminum cylinder heads are made using sand cores, which are made of silica sand and of a polyurethane resin binder. The cores are placed in the metallic mold just before casting. During this stage, the cores are submitted to the metallo-static pressure and high temperatures. Under these extreme loading conditions, with the development of thinner and thinner walls with complex designs, the cores exhibit significant deformation causing dimensional defects in the final cast.To control the deformation of the sand core, it is necessary to possess a robust characterization of their thermal and mechanical properties, that could be introduced in structural computations simulating the flow of the liquid metal, the solidification and the thermal fields. This approach is still not fully in use in the industry. A review of the literature confirms that this knowledge is incomplete for the moment.The work was therefore concentrated on the experimental characterization of the thermomechanical behavior and the thermophysical properties of the foundry cores and Polyurethane resin binder.Then, a behavior model capable of taking into account the viscosity of the material, damage development, and especially its evolution as a function of time and temperature because of the thermal degradation of the binder resin was developed.A technological specimen was finally designed and an experimental protocol has been established to measure the deformation of a core during casting and numerically validate the constitutive equations under complex thermal and mechanical loadings.