Soutenance mémoire
Le mot fatigue vient d’un mot latin fatigare qui signifie ‘tiredness’ en anglais. Ce terme est utilisé fréquemment en science de l’ingénierie pour montrer l’endommagement, la fissuration et la rupture des matériaux sous une sollicitation mécanique cyclique. Cette définition a été adoptée et affichée en 1964 par une Organisation Internationale de standardisation à Genève. Elle correspond aux matériaux métalliques et non-métalliques. La première étude en fatigue a été réalisée sur des matériaux métalliques en 1829 par W.A. J. Albert qui était un ingénieur des mines allemand. Cependant, ce domaine a commencé à se développer avec l’augmentation de l’usage des structures en fer particulièrement dans la fabrication des ponts et des chemins fer. Le premier vrai travail de recherche sur métal a commencé en 1842 à cause d’un accident de chemin de fer à coté de Versailles en France. Cet accident a causé 1500 à 1800 morts à l’époque.
Avec le développement des autres types des matériaux, ce domaine s’est élargi. On peut citer en particulier les matériaux composites à matrice polymère avec un succès industriel phénoménal. Les raisons principales sont le prix et la réduction du poids [2,3,4]. Les propriétés mécaniques et particulièrement le module d’Young de certains matériaux composites est supérieur à ceux des matériaux métalliques classiques. La réduction de masse des matériaux composites est très avantageuse par rapport aux alliages ce qui explique que leur application est très développée dans les domaines de l’aéronautique, l’aérospatiale, l’énergie, les transports, l’automobiles, etc [5]… Aujourd’hui l’industrie est fortement demandeuse de données sur le comportement en fatigue des polymères et des matériaux composites, car les cas d’applications où ils subissent des sollicitations dynamiques sont très nombreux. Les pièces à base de polymère ou composite ont une durée de vie élevée grâce à leur bonne tenue en fatigue.
Etude bibliographique
Matériaux composites
Les matériaux composites sont l’association d’au moins deux matériaux non-miscibles qui consistent deux phases distinctes dans la structure du matériau. Les composants sont la matrice et la charge ou les renforts. La matrice est une phase continue et son rôle est de maintenir la deuxième phase, le renfort qui joue le rôle de l’agent de renforcement. Dans les matériaux composites un paramètre très important est la distribution du renfort dans la matrice. Par exemple, à cause d’une distribution hétérogène et la formation de zones, les propriétés du composite peuvent varier. Les matériaux composites peuvent se classer dans trois groupes ; les composites à matrice organique, les composites à matrice métallique et les composites à matrice minérale (céramique). Le choix d’un matériau composite dépend beaucoup de l’environnement et surtout de la température. Quand la température de service est très haute (plus de 300°C), on ne peut pas utiliser un matériau composite à matrice organique. Il est nécessaire de comprendre le mécanisme d’endommagement ainsi que le rôle des renforts (fibres).
De façon générale, le mécanisme d’endommagement en fatigue dans le cas des composites est différent de celui des polymères. L’endommagement dans un composite peut se situer en 3 lieux :
1) la fibre
2) la matrice
3) l’interface fibre/matrice
Le procédé de fabrication influence également l’endroit où s’amorce l’endommagement. Après fabrication de la pièce, l’interface fibre/matrice joue un rôle essentiel sur le comportement du matériau lorsqu’il est soumis à une contrainte mécanique et c’est pourquoi il est obligatoire de comprendre sa nature.
Fibres de verre
Le verre est un matériau vitreux et isotrope, et il reste identique même après étirage. Il est composé essentiellement de silice (SiO2), d’un oxyde alcalin (oxyde de sodium) et d’un oxyde alcalino-terreux (oxyde de calcium). C’est un matériau élastique et fragile et sa résistance à la rupture dépend de micro-défauts superficiels. La température de fusion du verre est environ 1750 °C donc il conserve ses caractéristiques jusqu’à des températures très élevées. Pour obtenir une résistance à la rupture ainsi qu’un module d’élasticité beaucoup plus élevé, les fibres jouent un rôle essentiel dans le matériau. Pour fabriquer les fibres de verre, le diamètre des trous de la filière est environ 1 mm et le diamètre des fibres est environ 10 µm. Comme il y a un mouvement massif de la matière de l’intérieur de la fibre à la surface, tous les défauts qui auraient affaibli le verre dans la forme initiale vont disparaître et sa résistance mécanique va augmenter. Le verre qui est le plus utilisé pour les renforts est le verre de type E, la raison principale est qu’il est moins cher que les autres verres. Il est connu pour ses propriétés diélectriques [5,20].
Matrice
Une autre composante très importante d’un matériau composite est la matrice qui est un matériau organique léger et déformable. Les rôles principaux d’une matrice sont la protection des charges, la distribution de la charge mécanique sur les renforts et la cohésion des charges qui a un rôle très important pour l’homogénéisation du composite. Le type de matrice peut modifier les propriétés du composite mais le renfort joue un rôle essentiel sur les propriétés mécaniques globales du composite; Module d’élasticité et résistance mécanique Ténacité.
En général, les matrices organiques sont classées en deux groupes ; les matrices thermodurcissables et les matrices thermoplastiques ;
Matrices thermodurcissables
Les polymères thermodurcissables sont des polymères qui peuvent être mis en forme qu’une seule fois et après traitement thermique (synthèse), ils sont infusibles et insolubles. A l’heure actuelle, ils sont très employés en raison de leurs caractéristiques thermomécaniques élevées. Les principaux sont les polyesters insaturés, les résines formophénoliques et les résines époxydes. Pour les usages techniques les polyesters insaturés sont très employés grâce à leur excellent compromis coût/performance. Pour les applications structurales aéronautiques, ce sont les résines époxydes [5].
Matrices thermoplastiques
L’emploi des matrices thermoplastiques présente beaucoup d’avantages par rapport aux matrices thermodurcissables ;
• Facilité de stockage sous forme de semi produits à température ambiante (durée de vie infinie) ;
• Possibilité de recyclage ;
• Des cycles de transformation plus courts ;
• Possibilité de réparation
• Une meilleure tenue à la fatigue .
On pourra les diviser dans trois groupes :
• les polymères de grande diffusion comme le polypropylène
• les polymères techniques comme les polyamides, les polyesters thermoplastique, les polyéthylméthacrylates, les polyacétates.
• les polymères haute performance (applications aéronautiques) comme le PEEK, le PPS, le PEI et le PES.
Certains polymères thermoplastiques peuvent résister à des températures élevées (260 °C dans le cas du Polyamide 66). Cependant, l’application des matrices thermoplastiques est spécifique ce qui limite leur utilisation dans les matériaux composites. Ils se moulent facilement et le procédé de mise en œuvre est réalisé en général par injection à haute pression. Ils sont utilisés fréquemment sans renfort.
Comportement du matériau en fatigue
Avant de concevoir une pièce en matériau composite, il faut connaitre les propriétés mécaniques du matériau et son comportement en fatigue pour ces applications. Donc la compréhension du comportement d’un matériau en fatigue est un facteur non négligeable.
La progression de l’endommagement en fatigue peut être ductile en différentes étapes ;
• Le changement de microstructure, à cause d’une nucléation de l’endommagement permanent
• La création des fissures microscopiques
• La croissance et la coalescence de fissures microscopiques dominantes
• La propagation des macros fissures dominantes
• La rupture .
Les principales caractéristiques et propriétés impliquées dans le comportement en fatigue d’un polymère, sont les suivantes :
1. La structure et la composition chimique, la masse molaire et sa distribution, les états physiques.
2. Le chargement mécanique du polymère peut générer la rupture de liaisons covalentes puis la croissance des fissures au cours du procédé de fabrication sous l’effet de la force de cisaillement [21].
3. La déformation homogène comme la déformation élastique et viscoélastique. Quand la concentration de contraintes à la tête de la fissure est assez haute et la rupture n’intervient pas encore, la limite d’élasticité du matériau peut être atteinte. Dans le cas des polymères vitreux, le point maximal de la limite élasticité présente deux modes : la limite d’élasticité du cisaillement et la limite d’élasticité normale de la contrainte, mais le cas des polymères semi-cristallins est différent. Ils sont parmi les polymères qui ont la meilleure tenue en fatigue. Par contre le mécanisme de la déformation, la balance entre l’énergie dissipée et la résistance à la fissuration dépendent du mode de rupture.
4. La déformation non-homogène comme la création de craquelures et bandes de cisaillement. La craquelure est différente dans le cas des polymères et dans le cas des autres matériaux comme les céramiques. La différence est qu’elle n’est pas une fissure réelle et elle nécessite une déformation plastique. Elle dépend du type de sollicitations, de la masse molaire et des paramètres de la fatigue comme, la fréquence, de paramètres environnementaux tels que la température et l’humidité. Ce phénomène se produit sous certaines conditions pour les polymères amorphes vitreux et quelques polymères semicristallins [22,23,24]. La formation de craquelures se traduit par une dissipation d’énergie et la résistance mécanique du matériau devient faible.
5. Le phénomène de transition vitreuse de la matrice avec son changement d’état physique.
6. Les modifications morphologiques comme l’orientation et la cristallisation.
7. L’effet thermique induit par l’auto-échauffement .
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre 1
Introduction générale
Chapitre 2
2. Etude bibliographique
2.1. Matériaux composites
2.1.1. Fibres de verre
2.1.2. Matrice
2.1.2.1. Matrices thermodurcissables
2.1.2.2. Matrices thermoplastiques
2.2. Comportement du matériau en fatigue
2.3. Paramètres généraux qui influent sur la tenue en fatigue
2.4. Paramètres influant liés au matériau
2.4.1 Nature du polymère
2.4.2 Renforts
2.4.2.1. Nature des fibres
2.4.2.2. Taux des fibres
2.4.2.3. Longueur des fibres
2.4.2.4. Inteface fibre et matrice
2.4.2.5. Ensimage
2.4.3 Conditions de mise en forme
2.4.3.1. Orientation des fibres
2.4.3.2. Concentration des fibres
2.4.4 Chargement
2.4.4.1. Mode de sollicitation
2.4.4.2. Amplitude de sollicitation
2.4.4.3. Fréquence de sollicitation
i) Phénomène de l’auto-échauffement
ii) Thermodynamique de l’auto-échauffement
2.4.5 Environnement
2.4.5.1. Température
2.4.5.2. Humidité
2.5 Mécanisme d’endommagement
2.5.1. Origine et amorçage des fissures (Fissures courtes)
2.5.2. Propagation des fissures (fissures longues)
2.5.3. Rupture et micros mécanismes de rupture
2.5.3.1. Théories Physiques
2.5.3.2. Théories Mécanochimiques
2.5.3.3. Fractographie
2.6. Quelques modèles existants
2.7. Méthodes pour mesurer l’endommagement
Chapitre 3
3. Matériaux et méthodes expérimentales
3.1. Matériaux d’étude préliminaire
3.2. Matériaux d’étude
3.3. Injection des éprouvettes
3.4. Caractérisations physico-chimiques
3.4.1. Mesure de densité
3.4.2. Analyse thermique DSC (Differentiel Scanning Calorimetry)
3.4.3. Pyrolyse
3.4.4. Dilatométrie
3.4.5. Calcul du volume libre
3.5. Caractérisation de sorption
3.6. Caractérisations mécaniques
3.6.1. Essais statiques
3.6.1.1. Flexion 3 points
3.6.1.2. Traction
3.6.2. Essais dynamiques, spectroscopie mécanique (DMTA)
3.7. Essai de fatigue
3.7.1. Flexion alternée
3.7.1.1. Essais interrompus en flexion alternée
3.7.1.2. Essai Poly séquentiel
3.7.1.3. Observation des fissures en surface en flexion alternée
3.7.2. Traction-Traction
3.8. Microscopie
3.8.1. Polissage
3.8.2. Microscope optique
3.8.3. Observations au Microscope Electronique à Balayage (MEB)
Chapitre 4
4. Rôle de la microstructure
4.1. Morphologie
4.1.1. Polystyrène, polypropylène et Polycarbonate
4.1.2. Polyamide 66
4.2. Influence de la direction de la sollicitation par rapport à l’orientation des fibres de verre
4.2.1. Polyamide 66/fibres de verre sollicité en flexion alternée
4.2.2. Polyamide 66/fibres de verre sollicité en traction-traction
4.2.3. Comparaison des comportements du composite en traction-traction et en flexion alternée
4.3. Mécanisme d’endommagement
4.3.1. Facies de rupture
4.3.2. Amorçage de l’endommagement
4.3.2.1. Essais de fatigue interrompus
4.3.2.2. Essais de fatigue Discontinus
4.3.3. Propagation des fissures
4.3.4. Influence de la durée de l’interruption
4.3.5. Discussion
4.3.5.1. Dilatométrie
4.3.5.2. D.M.A.
4.3.5.3. Volume libre
Chapitre 5
5. Autoéchauffement et effet de la fréquence
5.1. Effet de la température sur le comportement mécanique instantané
5.1.1. Flexion 3 points
5.1.2. Traction uniaxiale monotone
5.2. Effet de l’auto-échauffement
5.2.1. Essais en flexion alternée
5.2.2. Essais en traction-traction
5.3. Effet de la fréquence lors des essais de fatigue en flexion alternée
5.3.1. Choix des fréquences
5.3.2. Essais de fatigue à diverses fréquences
5.3.3. Tracé des courbes de Wöhler
• Matrice pure (PA 66)
• Composite (PA 66/FV)
5.3.4. Variation de σmax et du rapport σmax/ ε0 avec la fréquence
5.4. Effet de la fréquence lors des essais de fatigue en traction-traction
5.4.1. Tracé des courbes de Wöhler
5.4.2. Variation de la température maximale et du nombre de cycles à rupture avec la fréquence
Chapitre 6
6. MODELISATION
6.1. Test de flexion alternée
6.2. Modèle pour la vitesse de formation des micro-défauts
6.3. Courbe de Wöhler expérimentale et calculée
6.4. Méthode numérique
6.5. Optimisation
6.6. Optimisation des essais discontinus
6.7. Conclusions
Chapitre 7
7. Conclusions
CONCLUSION
