Contribution à l'étude de la déformation et de l'endommagement des polymères vitreux homogènes et à renforts caoutchoutiques PDF Download
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Book Description
Ce travail constitue une contribution visant à décrire le comportement non-linéaire et l'endommagement des polymères vitreux homogènes et renforcés par l'adjonction de particules d'élastomère sphériques. Pour caractériser le comportement fortement non-linéaire des polymères vitreux, un modèle viscoplastique à variables internes a été développé et implémenté dans un code de calcul par éléments finis. Le modèle viscoplastique développé a été ensuite couplé à différentes formulations micromécaniques pour caractériser le comportement cohésif ou à l'endommagement de mélanges de polymères. Les résultats des simulations numériques ont été ensuite validés expérimentalement par comparaison avec les données expérimentales obtenues sur différents polymères vitreux typiques. Par ailleurs, l'activation des mécanismes de déformation a également fait l'objet d'une attention particulière.
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Ce travail constitue une contribution visant à décrire le comportement non-linéaire et l'endommagement des polymères vitreux homogènes et renforcés par l'adjonction de particules d'élastomère sphériques. Pour caractériser le comportement fortement non-linéaire des polymères vitreux, un modèle viscoplastique à variables internes a été développé et implémenté dans un code de calcul par éléments finis. Le modèle viscoplastique développé a été ensuite couplé à différentes formulations micromécaniques pour caractériser le comportement cohésif ou à l'endommagement de mélanges de polymères. Les résultats des simulations numériques ont été ensuite validés expérimentalement par comparaison avec les données expérimentales obtenues sur différents polymères vitreux typiques. Par ailleurs, l'activation des mécanismes de déformation a également fait l'objet d'une attention particulière.
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ARKEMA s'intéresse à la conception de matériaux thermoplastiques renforcés au choc en incorporant des particules dans le polymère pur au moment de la mise en forme et à l'effet du vieillissement hydrolitique sur ces mêmes matériaux. L'ajout d'une seconde phase de type élastomère est une technique souvent utilisée dans le but d'améliorer la résilience d'un polymère, celle-ci étant testée par essais Charpy. La présence de particules modifie les mécanismes d'endommagement par germination, croissance et coalescence de cavités soit en coeur des particules de renfort, soit à l'interface matrice-particule. La matrice des polymères renforcés de l'étude consiste en du PolyAmide 11 (PA11), un thermoplastique semi-cristallin. Ce matériau, qui possède une porosité initiale mesurée de l'ordre de 1% blanchit sous charge. Ce blanchiment est dû à une augmentation de la porosité par croissance de cavités, qui engendre une variation de volume. On s'intéresse donc aux phénomènes d'endommagement par cavitation dans les matériaux polymères, ceux-ci pouvant conduire jusqu'à la rupture finale. Dans la thèse, la compréhension des mécanismes d'endommagement est analysée aussi bien pour la matrice de PA11 neuf, pour la matrice de PA11 plastifiée et vieillie que pour deux matériaux renforcés. En effet, l'étude se focalise sur plusieurs grades de PA11 : • PA11, le matériau de base de l'étude ; • "aged P40", un polyamide 11 plastifié et vieilli ; • "aged P20 EPR", un polyamide 11 plastifié et vieilli contenant une seconde phase de particules d'EPR ; • "aged P20 XNBR" , un polyamide 11 plastifié et vieilli contenant une seconde phase de particules de XNBR. Les matériaux "Aged P40", "Aged P20 EPR" et "Aged P20 XNBR" ont donc été vieillis dans des conditions similaires pour le contexte de l'étude. Des essais sur différents types d'éprouvettes, à différentes températures et vitesses de traction ont été menés. L'observation au Microscope Electronique à Balayage (MEB) de coupes au microtome d'échantillons obtenus suite à des essais interrompus permet de quantifier la porosité et d'en évaluer sa cinétique de croissance en fonction du taux de triaxialité des contraintes. La température de transition vitreuse, Tg, du PA11 est de l'ordre de 50°C. Pour des essais à température ambiante, un auto-échauffement local du polymère pourrait engendrer un franchissement de Tg et de ce fait, modifier les mécanismes de déformation et d'endommagement du matériau. Certains essais ont donc été instrumentés par une caméra thermique afin de mesurer l'élévation de la température dans les endroits critiques. Concernant les matériaux renforcés, des mesures de densité par pycnométrie ont été entreprises afin de déterminer la variation de volume avant et après essai. Cette information est une donnée clé pour obtenir, par l'intermédiaire de la rétro-diffusion cohérente, la densité et la fraction de vide des nodules endommagés. Les lois de comportement élasto-visco-plastiques classiques ne suffisent pas à rendre compte du phénomène de croissance de cavités. Cette étude poursuit les travaux antérieurs réalisés au Centre des Matériaux qui ont montré l'intérêt de modéliser par éléments finis le comportement de différents polymères thermoplastiques via une loi de comportement issue de la mécanique des milieux poreux : le modèle de Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN). Les coefficients de ce modèle sont identifiés à partir des courbes globales et des informations locales telles que les taux de porosité mesurés au cours des essais interrompus par analyse d'images. Les essais suivis par caméra thermique, couplés à une identification des paramètres intervenant dans le modèle de Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) en fonction de la température, ont permis d'effectuer des calculs thermo-mécaniques à couplage faible et par conséquent de prendre en compte l'auto-échauffement du matériau. Dès lors, il est possible d'accéder aux champs de contrainte et déformation en pointe de fissure, données indispensables pour effectuer des calculs micromécaniques dans le cas des matériaux renforcés. Le champ de contrainte ainsi obtenu est appliqué à des cellules élémentaires. Des simulations numériques à l'échelle de la micromécanique ont été effectuées pour investiguer l'influence de la taille des nodules ou de la distance interparticulaire sur la naissance et croissance d'une cavité entre deux nodules. Cette thèse montre qu'une nouvelle fois le modèle de Gurson-Tvergaard-Needleman, modèle initialement développé pour l'étude de la rupture ductile des matériaux métalliques, s'applique dans le cas d'un matériau polymère semi-cristallin. Le modèle s'avère pertinent pour décrire le comportement endommageable du matériau. Tout comme dans le PVDF, deux critères d'amorçage apparaissent : un critère en coalescence de cavités et un critère d'élongation des fibrilles. Les polymères se déformant rarement dans des conditions d'isothermie, l'auto-échauffement du matériau a été pris en compte en rendant les paramètres intervenant dans le modèle dépendant de la température ; les résultats s'avèrent intéressants et concordent bien avec ceux obtenus expérimentalement. La thèse met également en lumière la préservation de la ductilité par l'ajout d'une seconde phase de caoutchouc en dépit du vieillissement hydrolitique, dans une zone de température inférieure à la zone de température de transition vitreuse. Cependant nous montrons que, selon les caractéristiques de cette seconde phase, les mécanismes d'endommagement peuvent varier et ainsi le critère d'amorçage changer.
Author: Thinh Tran Ich Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 320
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LE TRAVAIL PRESENTE A POUR OBJET L'EVALUATION EXPERIMENTALE DU COMPORTEMENT MECANIQUE ET DE L'ENDOMMAGEMENT ANISOTROPES D'UN MATERIAU COMPOSITE TISSU DE VERRE:RESINE EPOXYDE. UNE METHODOLOGIE EXPERIMENTALE, SPECIFIQUE POUR LES MATERIAUX COMPOSITES, A ETE MISE AU POINT, EN PARTICULIER POUR LES ESSAIS HORS-AXES. LES ESSAIS ONT ETE REALISES POUR DIFFERENTES ORIENTATIONS DES EPROUVETTES EN COMPRESSION SIMPLE ET EN TRACTION SIMPLE MONOTONES CROISSANTES ET CYCLIQUES, AINSI QU'EN COMPRESSION SOUS DIFFERENTES PRESSIONS DE CONFINEMENT. LES PHENOMENES SUIVANTS ONT ETE MIS EN EVIDENCE: LA FORTE ANISOTROPIE DU MATERIAU; LA FORTE SENSIBILITE AU SIGNE DES CONTRAINTES NORMALES; LA TRANSITION DU COMPORTEMENT ET DES MECANISMES D'ENDOMMAGEMENT ET DE RUPTURE ENTRE LES ORIENTATIONS A 15 ET A 30 DE LA DIRECTION DES FIBRES DE CHAINE DU TISSU; LA NON-COINCIDENCE DES DIRECTIONS PRINCIPALES DES CONTRAINTES ET DES DEFORMATIONS DANS LES ESSAIS HORS-AXES; L'APPARITION DE DEFORMATIONS IRREVERSIBLES DES LE DEBUT DU CHARGEMENT; L'APPARITION DE BOUCLES D'HYSTERESIS. L'ENDOMMAGEMENT DU MATERIAU A ETE EVALUE, EN FONCTION DE L'ORIENTATION DES CONTRAINTES, PAR L'EVOLUTION DES MODULES DE DEFORMATION AXIAUX, CROISES TANGENTS ET DE CISSION. POUR DES ETATS DE CONTRAINTES COMPLEXES, LE CRITERE DE TSAI ET WU SOUS-ESTIME LES RESISTANCES DIRECTIONNELLES; LE CRITERE DE BOEHLER PREVOIT CORRECTEMENT LE COMPORTEMENT DU MATERIAU
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L'industrie pétrolière porte un intérêt majeur à l'emploi de matériaux polymères, particulièrement pour la réalisation de pipelines. Ce défi technologique reste constant dans la mesure où des gaz (CH4, CO2, H2S) contenus dans les hydrocarbures ont une grande potentialité de dissolution dans les polymères semi cristallins (polyoléfines, polyamides ou fluorés) sous conditions d'usage sévères en termes de températures (333-403 K) et pressions élevées (0.1-100MPa). Une rupture de l'équilibre thermodynamique conduit à des gradients de concentration en gaz et de température dans la structure polymérique. Le mécanisme d'endommagement appelé "blistering" qui en résulte peut être véritablement catastrophique pour le matériau, parce qu'irréversible et conduire à la perte de sa fonction d'étanchéité. L'approche amont proposée repose sur l'étude des équilibres d'interactions gaz/ polymères par détermination de grandeurs thermodynamiques relatives aux polymères sous la triple contrainte thermique, barométrique et chimique d'un fluide supercritique (FSC). La quantification de la solubilité de gaz dans les polymères, par couplage du détecteur à fil vibrant à la méthode pVT, relie de façon simple la concentration au changement de volume du polymère. L'estimation du changement volumique du polymère utilise l'équation d'état de Sanchez-Lacombe. Les données ont été corrélées avec le mode dual. La détermination des grandeurs thermo-physiques du polymère en présence de gaz, en particulier le coefficient d'expansion thermique isobare, est accessible pour une méthode couplée calorimétrie-pVT. Une analyse qualitative et quantitative des interactions de sorption/ désorption selon le mode de détection différentiel utilise les modes de balayage en pression et en volume. Enfin, la variation de volume du polymère due à la sorption de gaz est possible par une technique de confinement, et est examinée par mesures en dilatation libre
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Les mécanismes de déformation de trois polymères semi-cristallins à morphologie sphérolitiques ont été étudiés par microscopie à force atomique in situ à l'aide d'une machine de traction. Le polyamide 6, le polybutène et le polycaprolactone utilisés lors de cette étude se déforment tous par fragmentation lamellaire. Des micro-craquelures ont également été observées dans le polybutène. Ces deux mécanismes s'amorcent dès la fin du domaine élastique. Ils sont tous deux à l'origine d'une déformation permanente et d'une dégradation des propriétés mécaniques. Ces constations expérimentales ont conduit à l'hypothèse d'un couplage entre plasticité et endommagement. Après avoir identifié la contribution visqueuse pour chaque matériau, l'endommagement et la déformation plastique ont été mesurés par des essais de traction charge/décharge. Il s'est avéré que dans les trois matériaux de l'étude, l'évolution du dommage en fonction de la déformation plastique suit une unique loi malgré les nombreuses différences structurales (épaisseur des lamelles, diamètres des sphérolites, température de transition vitreuse ... ). Une loi de comportement a été établie d'une part sur le concept qu'un polymère semi-cristallin est constitué d'un réseau macromoléculaire bridé par la structure cristalline et d'autre part de la constatation que la destruction de la structure cristalline induit un endommagement régi par la loi précédemment identifiée. Cette loi a été implémentée dans un code de calcul éléments finis. Elle permet de reproduire très convenablement les essais de traction monotones et cycliques de l'étude et de prédire le comportement en relaxation des polymères semi-cristallins.
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Une matrice polymère amorphe renforcée de nodules en élastomère peut dissiper l’énergie de trois façons différentes lorsqu’elle est soumise à une contrainte : par craquelage de la matrice, par déformation plastique de la matrice, par développement de cavités dans l’élastomère.L’étude de la zone de progression qui précède le sommet de une fissure implique à la fois des travaux expérimentaux (essais à champs uniformes et de rupture), ainsi que des travaux de modélisation aux échelles microscopiques et macroscopiques (méthodes numériques et analytiques).L’objectif est d’améliorer la connaissance de la compétition entre ces trois phénomènes ainsi que la compréhension de la transition Ductile-Fragile de ces matériaux, en vue d’une réduction de leur domaine de fragilité.L’aspect expérimental de notre étude nous permet, au moyen de matériaux modèles, de nous confronter directement au problème de transition Ductile-Fragile, et de vérifier des prévisions. La modélisation numérique nous permet de déterminer les paramètres micromécaniques de premier ordre des différents phénomènes de dissipation d’énergie et de la transition Ductile-Fragile.
Author: Fahmi Zaïri
Author: Fahmi Zaïri
Author: Guillaume Boisot
Author: Gérard Braun
Author: Thinh Tran Ich
Author: Jean-Claude Robinet
Author: Séverine Boyer
Author: Gérard Binoche
Author: Fabrice Détrez
Author: Daniel Lévêque
Author: Olivier Bondil