CARACTERISATION DU MATERIAU
S TRUCTURE ET M ORPHOLOGIE DES POLYMERES SEMI - CRISTALLINS
- Chaîne macromoléculaire
- Lamelles cristallines
- Structure sphérolitique
- Caractéristiques des polymères semi-cristallins
E LABORATION ET ETUDE DU P OLYAMIDE 6
- Le Polyamide 6, un polymère technique
- Technique de mise en forme
- Vieillissement hydrolytique du PA 6
C ARACTERISATION
- Physico-chimique
- Microstructurale
PROCEDURE EXPERIMENTALE & RESULTATS
O BJECTIF DES ESSAIS
- Choix des éprouvettes
- Conditions expérimentales
- Types d'essais
Pour s'affranchir des hypothèses conventionnelles lors de la simulation numérique (Chapitre V) pour la modélisation 2D (contraintes planes, déformations planes), des éprouvettes axisymétriques ont été usinées sur tour selon ASTM D638-91 [D638] et D2990 [D2990] (Figure II-1) . Le rayon à la base de l'entaille, initié par l'apparition de l'entaille, est spécifique au matériau. Sur la Figure III-6 nous comparons l'épaisseur de la zone blanchie sur les 4 types d'échantillons entaillés.
Nous avons montré, au chapitre III, l'influence de la porosité sur les mécanismes d'endommagement et de fracture. L’apparition de blanchiment et de rétrécissement du matériau sont des signes avant-coureurs de casse. Après aspiration, on constate que les vides s'étirent dans le sens de la tension.
R ESULTATS POUR LE MATERIAU " SEC "
- Traction
- Fluage sur éprouvettes lisses
- Fluage sur éprouvettes fissurées
- Fluage sur éprouvettes entaillées
R ESULTATS POUR LE MATERIAU SATURE EN HUMIDITE
- Traction
- Fluage sur éprouvettes lisses
- Fluage sur éprouvettes fissurées
C ONCLUSION
L'analyse des schémas de fracture permettra de proposer des hypothèses sur les causes de la rupture finale de l'éprouvette. Des observations ont été réalisées au microscope optique sur des coupes longitudinales de la zone utilisable (Figure III-8), réalisées par cryomicrotomie. Aussi, les premières analyses des schémas de fracture par M.E.B., d'échantillons sollicités en traction, semblent démontrer l'influence de la vitesse de tension.
D'après la structure du spécimen du cou, nous avons remarqué sur la figure III-3 de nombreuses cavités allongées dans toute la zone du cou. La zone extensible peut donc être modélisée par un modèle prenant en compte la croissance des vides. Ces paramètres seront utilisés au chapitre V (section V.1) dans l'approche globale de la mécanique non linéaire de la rupture pour le calcul du paramètre de charge C*.
La mécanique de la rupture non linéaire utilise les lois de comportement analytique présentées au chapitre IV (Équations (IV-1) et (IV-2)). Dans ce cas, nous montrons la limite de l’approche globale de la mécanique de la rupture non linéaire en viscoplasticité. A partir de cette valeur C*, l'analyse de la courbe maîtresse permet d'obtenir le temps de rupture associé.
Cette valeur du temps jusqu'à rupture donne donc la durée de vie restante de la structure. Cependant, il est important de souligner que l’approche globale de la mécanique non linéaire de la rupture présente certaines limites. Des approches locales couplées/découplées de la mécanique de la rupture ont ensuite été présentées.
Cette analyse consiste à observer la microstructure sous chargement d'une part et les schémas de fracture des échantillons chargés d'autre part.
ETUDES DES MECANISMES DE DEFORMATION ET D’ENDOMMAGEMENT VIA LES
O BSERVATIONS DE LA MICROSTRUCTURE
- Microstructure initiale (rappel : Porosité initiale)
- Microstructure endommagée (porosité dans la striction, matériau blanchi)
Ce blanchiment apparaît rapidement, dès le début du fluage secondaire, dans le ligament matériel de la zone utile. Dans le paragraphe suivant nous tenterons d'illustrer les phénomènes qui se produisent au coeur de la zone utile, lorsqu'une éprouvette que nous qualifierons de « fissurée » est soumise à un fluage, avec un rayon en fond d'entaille égal à 0, 45mm. Ces cavités, dont la taille est de quelques microns, semblent provenir de la croissance des cavités initiales.
On peut donc supposer que cette surface, qui forme un faciès fragile, est le résultat de la fracture définitive de l'éprouvette. Il est clairement noté que le M.E.B. de la figure III-26c), qui correspond à l'échantillon avec un rayon en fond d'encoche égal à 1,6 mm, présente un site d'initiation principal unique qui s'étend sur près d'un millimètre. Dans le cas de faciès ductiles diffus et confinés, observés lors d'un fort blanchissement de la zone critique de l'échantillon, la porosité critique apparaît comme le mécanisme d'endommagement responsable de la fracture.
Sur la base des observations faites auprès du M.E.B. nous avons mesuré le diamètre moyen Φmoy de la zone centrale délimitée par la limite entre la surface ductile ou fragile. La zone rétrécie est donc beaucoup moins étendue, ce qui entraîne un comportement différent de la zone utile par rapport au cas d'une éprouvette lisse. Par conséquent, dans ce chapitre nous définirons les dommages numériques comme spécifiques à l’évolution de la porosité.
Comme toute analyse de la mécanique de la rupture, elle fait intervenir deux notions importantes. Dans cet article, nous traitons toutes les éprouvettes indentées, quel que soit le rayon à la fin du niveau initial, avec la notion de mécanique de Mécanique Non Linéaire de rupture en viscoplasticité. Il est montré que l'emplacement de la contrainte principale la plus importante coïncide avec la zone où le dommage est maximum.
L'approche globale de Mécanique Non Linéaire de la Fracture a permis d'obtenir une courbe maîtresse reliant le paramètre de chargement C* au temps de rupture tR.
M ECANISMES D ’ ENDOMMAGEMENT ET OBSERVATIONS DANS LE SENS LONGITUDINAL SUR
- Zone blanchie, observation à l’œil nu
- Coupes longitudinales sur essais de fluage interrompus pour le plus faible rayon en fond
- Rupture sur éprouvettes lisses
- Rupture par fluage sur éprouvettes entaillées
C ONCLUSION
Le modèle analytique proposé permettra de définir les paramètres nécessaires au calcul du paramètre de charge C* pour la mécanique de la rupture non linéaire, qui constituera une des thématiques traitées au chapitre V. Il est important de préciser, que le paramètre n2, correspondant à l'effet de la loi de fluage secondaire, sera utilisé pour calculer le paramètre de charge C*. Les jeux de paramètres obtenus serviront de support au calcul du paramètre de charge C* pour la mécanique non linéaire de la rupture, décrit au chapitre V.
Dans ce chapitre, nous entrons dans la modélisation de la section de rupture afin de prédire la durée de vie d'une structure réaliste fonctionnant en fluage. L'objectif principal de ce chapitre est d'utiliser les outils de la mécanique de la rupture non linéaire en viscoplasticité pour estimer la durée de vie résiduelle d'une structure fissurée soumise au fluage en service. Dans la suite de l'article, la dépendance de la courbe principale par rapport au rayon au fond de l'entaille a été montrée pour une profondeur de fissure fixe avec un rapport b/R égal à 0,5.
Ainsi, l'utilisation d'éprouvettes fissurées, de rayon en fond d'entaille de 0,45 mm, a permis de décrire la méthode associée à l'approche globale de la mécanique de la rupture en l'appliquant analytiquement. Pour faire une parallèle avec les autres rayons en bas de l'entaille, il faut placer la porosité maximale au centre de la section, pour le rayon de 4mm. Il semble évident de concentrer les travaux d'optimisation sur les coefficients d'endommagement de la phase amorphe, compte tenu de l'évolution quasi nulle de l'endommagement dans la phase cristalline.
Enfin, le modèle 2M2C a été présenté ainsi que le modèle d'endommagement GTN, qui prend en compte l'évolution de la porosité. Par ailleurs, ayant montré l’influence de l’humidité sur le comportement du PA6, il serait également intéressant de considérer la (visco)-plastification due à l’eau. Cette étude a porté sur la caractérisation d'un polymère semi-cristallin, le polyamide 6, et l'analyse de son comportement au fluage humidité.
Cependant, le matériau a été considéré comme homogène dans cette étude, compte tenu de la géométrie des échantillons utilisés pour les essais mécaniques. Pour le matériau vieilli, la transition vitreuse, égale à -25°C, est inférieure à la température ambiante. L'utilisation de l'approche globale de la mécanique non linéaire de la rupture a permis d'obtenir une courbe maîtresse qui permet, à partir du paramètre de chargement C* et d'une méthodologie de type « ingénieur », de calculer une durée de vie restante d'une structure fissurée.
MODELISATION DU COMPORTEMENT EN FLUAGE D’UN ELEMENT DE VOLUME
M ODELE NUMERIQUE
C ONCLUSION
Dans les bureaux d'études, l'utilisation de la courbe maîtresse permet d'obtenir une durée de vie résiduelle en suivant les deux étapes décrites ci-dessous. L'approche locale de la Mécanique Non Linéaire de la Fracture consiste à analyser finement ce qui se passe dans la « zone de processus », localement au fond de fissure par exemple, puis à modéliser la déformation et les mécanismes de déformation par des calculs par éléments finis. cette zone. L'approche a également été utilisée au Centre des Matériaux par Lefèbvre [LEF02] et a donné des résultats satisfaisants concernant la modélisation de la rupture par fluage du PolyAmide 11 vieilli.
Le phénomène de striction reste limité par rapport aux échantillons à faible triaxialité et on note l'existence d'une croissance et d'une coalescence de vides (surtout pour un rayon de 0,8 mm) lors du chargement. La propagation fragile reste contrôlée par la rupture du ligament, situé derrière le matériau très étiré et ayant subi un rhéodurcissement. A noter que la valeur initiale f0 de la porosité est égale à 1,5% comme observé au chapitre I. Par conséquent, nous jouerons sur les paramètres q1 et q2 pour ajuster notre modèle.
Nous allons maintenant tenter d'étudier l'influence des paramètres matériaux du modèle, étape préalable à toute procédure d'identification des coefficients de la loi de comportement. Bien entendu, nous avons fixé la valeur initiale de porosité f0 à 1,5%, déterminée par les observations microscopiques présentées au chapitre I. Le choix de cette valeur est motivé par le fait que la croissance des cavités est une fonction exponentielle de la triaxialité.
En comparant la courbe obtenue avec cet ensemble de paramètres avec des courbes obtenues précédemment, on constate qu'il y a bien une augmentation de l'ouverture globale, qui s'explique par l'accélération de l'endommagement associée à une augmentation de la valeur de q2. Il est également essentiel de comparer les résultats obtenus sur les échantillons lisses du chapitre IV et les résultats qui seraient obtenus pour ces mêmes échantillons en intégrant l'évolution de la porosité. Mais pour optimiser les coefficients, il faudrait disposer de données expérimentales en fonction de la température.
Des observations d'une zone resserrée, par tomographie à rayons X et M.E.B., ont été faites, montrant une croissance des vides initiaux et un développement de cavitation, impliquant une augmentation du degré de porosité. Il apparaît donc que l'apparition d'un constriction, en concentrant la déformation dans la zone rétrécie, ovalise fortement les cavités. Concernant l’approche globale, afin de vérifier la robustesse de la méthodologie de calcul de durée de vie proposée, il semble important de réaliser des tests sur des structures réelles fissurées afin de vérifier la transférabilité de l’approche.
MODELISATION DE L’ENDOMMAGEMENT ET DE LA RUPTURE EN FLUAGE DU
A PPROCHE LOCALE DE LA MECANIQUE DE LA RUPTURE
- Modèle non couplé : calcul de l’endommagement en post-processeur
- Modèle couplé : 2M2C couplé à l’endommagement (prise en compte de la porosité)
