Etude expérimentale de la rupture des polymères amorphes

Saad Gouider Nesrine

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Depuis plusieurs années, nous assistons à une croissance importante de la production des polymères qui, actuellement, égale en volume celle de l’acier.

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Introduction

Introduction

Depuis plusieurs années, nous assistons à une croissance importante de la production des

polymères qui, actuellement, égale en volume celle de l’acier. D’autre part, l’utilisation des polymères est

de plus en plus diversifiée. En particulier, nous les retrouvons seuls ou comme matrice de composite, dans

des pièces de structure. Cette expansion relativement récente de l’utilisation des polymères a fortement

poussé au développement de l’étude de leurs propriétés mécaniques et comportements à la rupture. En

particulier, un des défis actuels reste de comprendre et de modéliser les processus de déformation et

d’endommagement de ces matériaux lorsqu’ils sont soumis à différents types de sollicitation mécanique.

Dans cette thèse, nous prenons comme objet d’étude les polymères amorphes. Ces derniers

peuvent avoir deux comportements en rupture distinctsfragile si le craquelage est le processus dominant

et ductile si c’est la déformation plastique par bandes de cisaillement qui apparaît. La localisation de la

déformation plastique sous forme de bandes de cisaillement est associée à l'adoucissement intrinsèque du

matériau au-delà d'un seuil de contrainte qui conduit à l’apparition d’une instabilité plastique sous la forme

d’une bande de cisaillement. La larguer de ces bandes est limitée par l’écrouissage / la consolidation observée à mesure que la déformation continue. Une craquelure apparaît géométriquement semblable à une fissure pontée par des fibrilles de matière. Ce mécanisme procède selon trois étapes (i) d'amorçage, (ii) d'élargissement des faces de la craquelure et (iii) de rupture des fibrilles avec la création d'une fissure localement. Le craquelage implique une déformation plastique mais à une échelle beaucoup plus petite que celle correspondant aux bandes de cisaillement, dans une zone intermédiaire entre le matériau massif et les fibrilles des craquelures. Ces deux mécanismes sont viscoplastiques et pour certaines conditions de température et/ou de vitesse de chargement, ils peuvent apparaître simultanément. Dans une étude numérique dédiée à l'analyse de la compétition entre ces deux processus et dans laquelle le craquelage est décrit à l’aide d’une zone cohésive viscoplastique, Estevez et al. [ESTE 00] ont montré que le caractère fragile ou ductile dépend de la cinétique associée à chaque mécanisme pour une sollicitation donnée, et leur compétition détermine celui qui sera dominant. Il est alors possible de rendre compte de la transition ductile-fragile à mesure que la vitesse de chargement augmente [ESTE 00].

En utilisant ce modèle de zone cohésive pour décrire le craquelage [ESTE 00], nous nous proposons dans ce travail de caractériser le craquelage en identifiant les paramètres utilisés dans la formulation en zone cohésive pour pouvoir prédire quantitativement la rupture de deux polymères

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amorphes : le Polyméthacrylate de méthyle (PMMA) plutôt fragile et le Polycarbonate (PC) plutôt ductile

lorsqu’ils sont sollicités à température ambiante.

Pour aboutir à notre objectif, nous adoptons la démarche suivante :

- Les paramètres impliqués dans chaque mode d’endommagement, craquelage et localisation de déformation plastique par bandes de cisaillement, sont identifiés à partir de protocoles expérimentaux spécifiques que nous présenterons.

Nous vérifions ensuite la validité de la description par zone cohésive et de la calibration en

confrontant les résultats de simulation aux données expérimentales d’essais de rupture.

Notre travail se divise en quatre parties principales :

•Dans un premier temps, nous ferons un rappel bibliographique concernant les différentes études visant à décrire la loi de comportement et le craquelage des polymères amorphes. Nous présentons les différents modèles relevés dans la littérature pour décrire ces mécanismes tout en précisant le cadre de notre étude.

•Le Chapitre II s’intéresse plus particulièrement au PMMA et au Polycarbonate à l’état massif (c’est à dire sans craquelures), à leurs propriétés physico-chimiques et mécaniques. Les paramètres de la loi de comportement du polymère massif décrivant la localisation de la déformation plastique sont identifiés à partir d’essais de compression uni axiale. La pertinence du modèle est vérifiée en comparant les prédictions de simulations en terme de courbes contrainte – déformation avec les données expérimentales obtenues pour différentes vitesses de déformations.

•Nous présentons dans le chapitre III le protocole expérimental adopté pour la calibration des paramètres de la zone cohésive décrivant le craquelage dans les polymères amorphes. La dernière étape relative à la rupture des fibrilles dans la craquelure étant abondamment décrite dans la littérature, nous nous intéressons aux deux premières étapes d’amorçage et d’élargissement des craquelures. Des échantillons soumis à des gradients de contraintes permettent une analyse des conditions d’amorçage du craquelage dans le PMMA et le Polycarbonate. Nous identifions ainsi les critères et les paramètres les plus appropriés pour caractériser les conditions d’amorçage. Une fois amorcée, la craquelure s'élargit jusqu'à une valeur critique pour laquelle une fissure est créée. L'énergie associée au processus d’élargissement

correspond à celui nécessaire pour créer une fissure, et correspond au taux de restitution d'énergie lorsque

la réponse du matériau est élastique. Par conséquent, la caractérisation des paramètres impliqués dans la

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description de l’élargissement des craquelures est basée sur des mesures du taux de restitution d’énergie à

différentes vitesses de sollicitations.

•paramètres de la zone cohésive dans le cas du PMMA et duLa calibration des Polycarbonate est présentée dans le chapitre IV. Pour cela, les prédictions de ténacité et de taux de restitution d’énergie du modèle sont confrontées aux mesures expérimentales présentées au Chapitre III. La pertinence du modèle est vérifiée en faisant varier le rayon d’entaille et donc l’état de triaxialité des contraintes en fond d’entaille.

Les conclusions et les perspectives issues de ce travail sont finalement développées. L’ensemble des

références bibliographiques est donné en

fin de chaque chapitre.

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