Soutenance mémoire
Les différentes familles de composites SMC
SMC standard
Ce type de SMC est généralement composée d’une matrice polyester fortement chargée (50 % en masse de la pâte mère) de particules de carbonate de calcium (CaCO3). Ce dernier est renforcé par des mèches de fibres de verre d’une longueur de l’ordre de 25 mm ou chacune de ces mèches contient 200 fibres. Le taux moyen de renforts est de l’ordre de 30% en masse. Ce type de SMC a une masse volumique de l’ordre de 1,88 g/cm3 .
SMC basse densité (LD-SMC)
Cette classe de SMC, (LD SMC) ou encore le Low Density SMC a été développée pour répondre à un besoin industriel en termes de réduction de poids sur les véhicules. Ce type de SMC est caractérisé par l’introduction de billes de verre creuses afin de réduire le poids sur les pièces de structures [19]. Ce qui nous permet d’atteindre des masses volumiques de l’ordre de 1,22 g/cm3 soit 30% inférieures à celle d’un SMC standard.
SMC hautes performances (A-SMC)
L’Advanced SMC, (A-SMC), est caractérisé par un taux de fibres relativement élevé (50% de la masse totale) atteint grâce à l’utilisation d’une résine vinylester qui permet l’imprégnation d’un tel taux de fibres. Ce matériau permet d’avoir de hautes performances mécaniques (19,20). Ce dernier fait l’objet de notre étude qui été fourni par PLASTIC OMNIUM Auto Extérieur Services. Deux configurations de renfort ont été investiguées : Orientation Aléatoire (Randomly Oriented – RO) et à forte Orientation (Highly Oriented – HO). Les plaques de SMC HO ont été obtenues en disposant une charge de pré-imprégné composite dans la partie gauche d’un moule rectangulaire (30 x 40 cm2) ce qui permet un fort fluage lors de la phase de thermo compression qui nous permet d’obtenir une forte orientation des renforts. Les plaques RO ont été obtenues sans orientation particulière des fibres en remplissant complètement le moule avant thermocompression de façon globalement uniforme.
Comportement mécanique et endommagement des SMC
La compréhension des mécanismes conduisant à la rupture d’une pièce sollicitée, en vue de la prédiction de sa durée de vie, s’avère primordiale dans le cas de composites à renforts discontinus tels que les SMC. Ces mécanismes à caractère irréversible, se développent sous l’action de sollicitations diverses et évoluent de façon progressive entre l’état vierge et l’état endommagé pour enfin atteindre l’apparition d’une ou de plusieurs fissures macroscopiques. Afin d’appréhender la modélisation du comportement de ces matériaux, il est nécessaire de préciser les différentes échelles de travail. On définit généralement trois échelles :
➢ L’échelle microscopique qui voit les hétérogénéités les plus fines existantes dans le matériau. C’est l’échelle du renfort à laquelle les phénomènes d’endommagement s’amorcent.
➢ L’échelle macroscopique qui voit la structure comme étant homogène. C’est l’échelle du V.E.R. ou Volume Elémentaire Représentatif qui doit être suffisamment grand pour contenir statistiquement toutes les hétérogénéités de la microstructure.
➢ L’échelle mésoscopique, qui se situe entre les deux échelles précédentes, qui ne voit pas les hétérogénéités les plus fines mais distingue des éléments de taille intermédiaire considérés eux aussi comme des entités homogènes. Dans le cas des SMC, cette échelle correspond à la mèche de renforts issues de rowing coupé. Pour les composites stratifiés, il s’agit de l’échelle de la couche unidirectionnelle.
On connait plusieurs types d’endommagement au sein des composites qui se révèlent à différentes échelles d’observation (Figure 6). Les plus significatifs sont les suivants :
➢ Décohésion fibre/matrice : la rupture de l’interface fibre matrice est généralement le mécanisme d’endommagement prédominant. Il dépend de la qualité d’adhésion entre la fibre et la matrice conditionnée par l’ensimage utilisé pour assurer une bonne cohésion entre les deux éléments.
➢ Fissuration de la matrice : ce type endommagement apparaît lorsque la contrainte moyenne dans la matrice atteint une limite. Il est plus marqué lorsqu’il existe des défauts tels que les microporosités issues du procédé d’élaboration. Les fissures engendrées se propagent selon la direction perpendiculaire à la plus grande contrainte principale. ➢ Fissuration des fibres : Ce phénomène se manifeste généralement avant la ruine totale du matériau lorsque tous les autres endommagements sont saturés. Ce phénomène est classé parmi les plus critiques car il conduit à une grande perte de la rigidité et donc la ruine de la structure.
➢ Délaminage : Ce phénomène est souvent rencontré dans les matériaux stratifiés. Il s’agit de la séparation locale entre deux plis suite à une sollicitation. Ce mode de fissuration est favorisé lorsque la direction d’orientation des fibres entre deux plis successifs est différente. On peut aussi parler de pseudo-délaminage lorsqu’il y a localement formation d’une fissure entre deux mèches de fibres discontinues.
L’analyse de ces mécanismes d’endommagement locaux et de déformation peut être réalisée par des essais in situ sous MEB (microscope électronique à balayage) (25,26). L’intérêt de ce type d’essais est d’observer en temps réel les mécanismes d’endommagent intervenant lors de sollicitation et de déterminer leur seuil et leur cinétique d’évolution. Récemment, des essais in situ peuvent également être effectués dans un micro tomographe à rayons X (25–27) et permettre de suivre l’évolution de l’endommagement non pas uniquement à la surface de l’éprouvette mais aussi dans le cœur du matériau.
Au niveau de l’échelle macroscopique, l’endommagement se traduit souvent par une réduction progressive de raideur suivie de la rupture du matériau. Il est important de noter que dans le cas d’un composite à matrice thermodurcissable, on parle généralement d’un comportement élastique endommageable (28–31). Cependant, dans le cas des matrices thermoplastiques, on parle d’un couplage entre la viscoplasticité provenant de la matrice et l’endommagement .
Endommagement des SMC standards
Endommagement des SMC en traction monotone
Une relation entre l’évolution macroscopique/microscopique des mécanismes d’endommagent pour des pourcentages en fibres relativement importants (à partir de 30% en masse) .
Une première phase linéaire correspondant au comportement élastique du composite pouvant atteindre jusqu’à 30% de la contrainte à la rupture. Ce comportement linéaire et réversible est associé à l’élasticité du matériau .
Une phase non linéaire associée à l’initiation de l’endommagement à l’échelle microscopique où le phénomène prédominant est la décohésion au niveau de l’interfaces fibre/matrice (33,35). A partir de cette première région « coude », la courbe devient non linéaire et le module d’Young diminue progressivement. Les premières microfissures s’initient sur les fibres orientées entre 60° et 90° par rapport à la direction de chargement (34) sous l’effet de la contrainte locale normale à l’interface et se propage progressivement vers les fibres les moins orientées sous l’effet couplé de la contrainte de cisaillement.
Une phase anélastique et plus ou moins linéaire associée à la propagation progressive de l’endommagement d’une manière diffuse dans tout le volume du matériau jusqu’à la ruine. En effet lorsque la charge appliquée atteint 90% de la charge admissible, l’accumulation des ruptures individuelles de fibres entraîne la rupture des bandes de fibres à la surface de l’éprouvette. Sans oublier les autres mécanismes d’endommagements comme la fissuration dans la matrice et la rupture des fibres qui peuvent aussi intervenir mais qui sont généralement secondaire .
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Table des matières
I. Introduction générale
I. Etude bibliographique
I.1. Les matériaux composites
I.1.1 Le renfort
I.1.2 La matrice
I.1.3 Les charges, adjuvants et additifs
I.1.4 Interface fibre/matrice
I.2. Procédé d’élaboration des SMC
I.3. Les différentes familles de composites SMC
I.3.1 SMC standard
I.3.2 SMC basse densité (LD-SMC)
I.3.3 SMC haute performance (A-SMC)
I.4. Comportement mécanique et endommagement des SMC
I.5. Endommagement des SMC standards
I.5.1 Endommagement des SMC en traction monotone
I.5.2 Endommagement des SMC en fatigue
I.5.3 Endommagement des SMC en dynamique
I.6. Modélisation micromécanique
I.6.1 Principe de la modélisation multi-échelle
I.6.2 Bornes de Voigt et Reuss
I.6.3 Approche d’Echelby
I.6.4 Problème de l’inclusion homogène
I.6.5 Problème hétérogène
I.6.6 la méthode des solutions diluées
I.6.7 Modèle auto-cohérent
I.6.8 Modèle de Mori Tanaka
I.6.9 Bornes de Hashin et Shtrikman
I.6.10 Synthèse des principaux modèles micromécaniques
I.6.11 Analyse critique des modèles : Choix du modèle Mori et Tanaka
I.7. Modélisation de l’endommagement du composites à l’interface fibre-matrice
I.8. Différentes approches de modélisation de l’endommagement en fatigue des composites
I.9. Conclusion
II. Matériaux et méthodes
II.1. Présentation des matériaux d’étude
II.2. Méthodes de cararctérisation mécanique (les essais effectués)
II.2.1 Résultats expérimentaux sur le compositte A-SMC
II.2.1.1 Essais de fatigue et de quasistatique
II.2.1.2 Essais à grande vitesse
II.2.2 Résultats expérimentaux sur le composite SMC-Standard
II.2.2.1 Comportement mécannique et méthodologie d’analyse des dommages
II.3 Cadre général et présentation du modèle micromécanique d’endommagement d’interface
II.3.1 Cadre général
II.3.2 Equations de base
II.3.3 Calcul des contraintes locales à l’interface fibre-matrice
II.3.4 Critère local d’endommagement à l’inteface fibre-matrice
II.3.5 Représentation d’un état local endommagé
III. Modélisation et prédiction de la durée de vie des SMC en fatigue
III.1 Prédiction de la durée de vie et de la baisse de raideur en fatigue
III.2 Prédiction de la durée de vie des SMC : Première méthode hybride
III.3 Prédiction de la durée de vie des l’A-SMC : Seconde méthode hybride
III.4 Critères de rupture pour matériaux composites
III.4.1 Définition
III.4.2 Critères phénoménologiques
III.4.3 Critères énergétiques
III.5 Prédiction des baisses de raideur sous sollicitation cyclique
III.5.1 Prévision de la baisse de rigidité
III.6 Conclusion
IV. Modélisation et prédiction de la durée de vie de l’A-SMC en dynamique
IV.1 Contexte général
IV.2 Comportement dynamique et endommagement à l’interface fibre-matrice
IV.3 Procédure de prévision de l’endommagement à l’interface Fibre/Matrice à grande vitesse
IV.4 Identification,disscution et résultats
V. Conclusion générale
