Comportement mécanique des laminés

Comportement mécanique des laminés

Usinage des composites

De façon générale, un composite consiste en une combinaison de deux ou plusieurs matériaux qui ne sont pas miscibles. Ce matériau comporte donc deux ou plusieurs phases distinctes à une échelle macroscopique. Généralement, un des constituants est sous forme de fibres très rigides et très résistantes, il s’agit des renforts. Les fibres peuvent être continues (longues) ou coupées (courtes) et peuvent être toutes alignées dans la même direction (composite unidirectionnel) ou orientées aléatoirement (sous forme de mats). Les fibres continues peuvent aussi être tissées ou cousues de façon à obtenir une armature fibreuse. Les différents types de fibres généralement utilisés sont les fibres de verre, de carbone et d’aramide (Kevlar®). Les renforts sont ensuite imprégnés d’un second matériau, plus souple et moins résistant, qu’on désigne sous le nom de matrice. La matrice permet de protéger les fibres, de transmettre les efforts entre ces dernières et de conserver leur disposition ainsi que la forme de la pièce. Les matrices à base de polymères sont les plus répandues. Les propriétés mécaniques obtenues suite à la combinaison des différents constituants dépendent du type de matrice, du type de renfort, de la proportion relative des constituants dans la pièce moulée et de l’orientation des fibres par rapport à la direction des charges. Les composites sont donc également anisotropes.

Comportement mécanique des laminés

Puisque l’usinage est susceptible d’entraîner des dommages sous forme de délaminage, le sujet sera d’abord abordé de façon générale afin de comprendre les causes menant à l’apparition de ce type de dommage et son effet sur les propriétés mécaniques du composite.
Le délaminage, caractérisé par une séparation partielle ou totale des plis d’un laminé, est probablement le mode d’endommagement le plus fréquent dans les composites. Le délaminage est souvent causé par un impact, une fissuration de la matrice (suite à un chargement cyclique par exemple) ou l’état de contrainte triaxiale qui se développe en bordure . Les délaminages peuvent se produire selon trois modes différents ou une combinaison de ces trois modes.

Délaminage en tension et en compression

L’effet du délaminage sur les propriétés mécaniques a surtout été étudié en tension et en compression. Le développement de délaminages suite à un chargement cyclique en tension ne semble pas avoir d’effet ou aurait même un effet positif sur la résistance résiduelle quasistatique (Garg, 1988). Cependant, une diminution de la rigidité est observée avec la propagation des fissures de délaminage. Une résistance résiduelle plus élevée que la résistance statique est aussi rapportée par Sendeckyj (Sendeckyj, 1983). Kawai et coll. ont observé une augmentation de la tenue en fatigue accompagnée d’une diminution de la rigidité pour des échantillons comportant des délaminages importants. Ces derniers ont soumis des échantillons de carbone/époxy à un chargement cyclique en tension. Les essais ont été réalisés sur des échantillons avec et sans entaille en bordure. La présence des entailles force les échantillons à délaminer progressivement, ce qui améliore la résistance en fatigue, mais diminue la rigidité (Kawai et al., 1996). Pour ce qui est du comportement en compression, les délaminages divisent le laminé en plusieurs sous-laminés ayant chacun une rigidité en flexion inférieure à celle du laminé original. Un flambage local se produit alors dans la zone endommagée. Lorsque les contraintes en fond de fissure d’une zone délaminée dépassent la résistance de la résine, le délaminage se propage ce qui peut se traduire par une rupture en raison d’une instabilité générale du panneau (Garg, 1988; Sela et Ishai, 1989).

Contraintes interlaminaires en bordure

Un phénomène propre aux matériaux composites laminés peut entraîner le délaminage et avoir une grande influence sur le comportement après usinage. En effet, dans les laminés multidirectionnels, il se développe une distribution de contrainte particulière en bordure. La théorie classique des laminés, qui constitue la base permettant d’expliquer le comportement d’un stratifié, prédit un état plan de contraintes pour des laminés symétriques en traction plane. Cependant, la supposition d’un état de contrainte plan n’est pas exacte en réalité. En effet, des contraintes interlaminaires, normales et de cisaillement, se développent en bordure des plaques soumises à un effort de tension (Hsu et Herakovich, 1977; Pipes et Pagano, 1970; Wang et Crossman, 1977). Ces contraintes se produisent en raison de la disparité des coefficients de Poisson (νxy) et des coefficients de couplage (ηxy,x) entre les différents plis. La disparité des coefficients de Poisson produit une contrainte interlaminaire normale (σz) et de cisaillement (τyz) . La disparité des coefficients de couplage produit un cisaillement interlaminaire (τzx) (Garg, 1988)

Comportement en tension d’échantillons usinés

On retrouve quelques ouvrages sur les propriétés en tension des composites après usinage. Les travaux d’Howarth et Strong portent sur l’effet de la coupe au jet d’eau abrasif et de la coupe au laser sur les propriétés en tension de composites verre/époxy, Kevlar®/époxy et graphite/époxy. Des échantillons de traction de différentes largeurs sont coupés avec chacune des deux méthodes. Il est attendu que l’effet de l’usinage soit plus prononcé pour les échantillons plus étroits. Malheureusement, leurs résultats sont peu concluants. Comme prévu, la contrainte ultime et le module d’élasticité des échantillons de Kevlar® diminuent lorsque la largeur du spécimen diminue pour les deux méthodes d’usinage. Pour les échantillons de fibre de verre obtenus par découpe laser, la tendance est semblable à celle observée pour le Kevlar®. Cependant, pour la découpe au jet d’eau, la tendance est complètement à l’opposé, la contrainte ultime et le module d’élasticité augmentent avec la diminution de la largeur des échantillons. Finalement, la contrainte ultime augmente alors que le module d’élasticité augmente initialement puis diminue pour les échantillons de graphite/époxy coupés au jet d’eau abrasif (Howarth et Strong, 1990). Les auteurs expliquent ces résultats par des erreurs expérimentales et un faible nombre d’échantillons testés.

Comportement en flexion d’échantillons usinés

Arola et Ramulu (1994), Ramulu (1997) et Ramulu, Arola et Colligan (1994) traitent de l’effet de l’usinage sur les propriétés en flexion des composites. Les premiers travaux abordent l’influence du procédé d’usinage sur la qualité de surface obtenue pour des laminés de graphite/époxy. Les auteurs tentent ensuite d’établir un lien entre l’intégrité de la surface usinée et la résistance en flexion quatre points quasi-statique. Trois procédés d’usinage sont utilisés : la coupe au jet d’eau abrasif, la coupe à la scie abrasive au diamant et la coupe orthogonale avec outil en diamant polycristallin (PCD). Leurs observations au microscope électronique à balayage des surfaces usinées sont particulièrement intéressantes. Pour la coupe à la scie abrasive et la coupe au jet d’eau, l’intégrité de la surface semble excellente alors que pour la coupe orthogonale, des fibres décollées de la matrice, dénudées et arrachées  sont visibles principalement au niveau des plis orientées à -45˚ (135 degrés) par rapport à la direction de coupe . Toutefois, même si les caractéristiques des surfaces usinées par chaque procédé sont tout à fait différentes, très peu de différences sont observées sur la rigidité en flexion des laminés et aucune variation significative n’est observée sur la résistance ultime. Il est quand même intéressant de noter que les échantillons obtenus par coupe orthogonale sont les premiers à dévier de la rigidité élastique linéaire, signe que
l’initiation de la rupture se fait en premier sur ces échantillons.

Comportement en compression d’échantillons usinés

Les recherches sur le comportement en compression d’un laminé usiné sont moins nombreuses. Ramulu et Colligan abordent le sujet en tentant de déterminer le type d’imperfections causées par l’usinage qui influence la résistance en compression d’un composite graphite/époxy. Pour ce faire, des échantillons sont coupés au jet d’eau abrasif  selon différentes conditions afin de produire différents finis de surface. Ici, deux caractéristiques sont retenues pour la caractérisation des surfaces usinées : la rugosité et la taille des délaminages des plis de surface. Le délaminage est un dommage courant pour la coupe au jet d’eau abrasif lorsque les paramètres de coupe sont inadéquats (Howarth et Strong, 1990; Ramulu, Arola et Colligan, 1994). Les propriétés en compression des échantillons coupés par jet d’eau abrasif et à la scie abrasive sont comparées. Les résultats indiquent que la rugosité de surface seulement n’influence pas significativement la résistance ultime en compression. Il en est autrement pour les échantillons comportant des délaminages externes. La contrainte ultime est considérablement diminuée en fonction de la taille des délaminages. La rigidité des échantillons comportant des délaminages est aussi plus faible (Ramulu, 1997; Ramulu, Arola et Colligan, 1994; Ramulu et Colligan, 2005).

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Usinage des composites
1.2 Comportement mécanique des laminés
1.2.1 Introduction
1.2.2 Délaminage en tension et en compression
1.2.3 Contraintes interlaminaires en bordure
1.3 Effet de l’usinage sur les propriétés mécaniques
1.3.1 Comportement en tension d’échantillons usinés
1.3.2 Comportement en flexion d’échantillons usinés
1.3.3 Comportement en compression d’échantillons usinés
1.3.4 Résumé des essais mécaniques
1.4 Méthodes de contrôle non destructif retenues
1.4.1 Les ultrasons conventionnels
1.4.2 Les ultrasons multiéléments
1.4.3 La thermographie active
1.4.3.1 Rayonnement thermique
1.4.3.2 Méthode par vibrations
1.4.4 La shearographie numérique
1.4.4.1 Vide partiel et pressurisation
1.4.4.2 Vibration
1.4.4.3 Choc thermique
1.4.5 Résumé des méthodes de contrôle non destructif
1.5 Définition de la problématique
CHAPITRE 2 ANALYSE DE LA SENSIBILITÉ DES MÉTHODES DE CONTRÔLE NON-DESTRUCTIF ET ÉVALUATION DES DOMMAGES D’USINAGE 
2.1 Approche
2.2 Méthodes de contrôle non-destructif
2.3 Échantillons avec défauts artificiels
2.3.1 Méthodologie
2.3.2 Résultats obtenus par ultrasons
2.3.3 Résultats obtenus par thermographie
2.3.3.1 Traitement de signal : contraste thermique absolu
2.3.3.2 Traitement de signal : contraste différentiel absolu
2.3.3.3 Traitement de signal : transformée de Fourier
2.4 Échantillons usinés
2.4.1 Méthodologie
2.4.2 Inspection d’un échantillon usiné
2.4.3 Dommages mesurés en fonction des paramètres d’usinage en fraisage/Évaluation par ultrasons
2.5 Comparaison ultrasons/thermograhie
CHAPITRE 3 EFFET DE L’USINAGE SUR LES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES EN TENSION
3.1 Méthodologie
3.2 Résultats
3.2.1 Inspection par ultrasons des échantillons de traction
3.2.2 Observations au microscope électronique à balayage
3.2.3 Essais de traction
3.3 Résumé et discussion
CONCLUSION

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