Fracture in asymmetric bonded joints

Michal Budzik

Description

Sous la direction de Martin Shanahan, Krystyna Imielinska
Thèse soutenue le 18 juin 2010: Gdansk University of Technology, Bordeaux 1
Des tests de fissuration ont été réalisés sur des joints collés asymétriques. Ces assemblages asymétriques sont constitués de deux substrats de nature et/ou d’épaisseur différentes liés par un adhésif. Cette géométrie d’éprouvette semble peu utilisée pour effectuer des essais de fissuration. Elles présentent certains inconvénients et de ce fait n’ont fait l’objet d’aucune normalisation. Dans le cadre cette géométrie d’éprouvette d’essai a été néanmoins été retenue et utilisée dans trois configurations différentes pour la caractérisation mécanique des assemblages collés. Des protocoles d’essai et les schéma d’analyse associés ont été définis pour des essais de fissuration à vitesse de déplacement imposé (CRT : Constant Rate Test), à force imposée (CFT : Constant Force Test) ainsi qu’à déplacement imposé (CDT : Constant Displacement Test). Les analyses ont pu être étalonnées au moyen d’un étau matérialisant artificiellement la position d’un fissure. De nombreuses configurations ont été étudiées à l’occasion de ce travail tant du point de vue des adhésifs utilisés (epoxy, cyanoacrylate, acrylic mastic, PSA) que du point de vue des substrats encollés (alliage d’aluminium, composite à matrice organique, polycarbonate). Ces nouveaux tests s’avèrent prometteurs car ils permettent de suivre de façon continu et précision la propagation de fissure au sein de la liaison. En outre, l’analyse des déformations mesurées par extensométrie lors d’essai réalisés à déplacement imposé (CDT) permet un suivi précis de la réponse de la couche adhésive dans la zone contrainte et d’estimer la taille de cette dernière, y compris lorsque la colle est dans un état métastable. Un autre résultat important de ce travail concerne l’analyse de la modification du front de fissure celle-ci voit une diminution de l’adhésion entre les deux substrats. Enfin, un calcul plus précis du taux de restitution d’énergie a été proposé pour prendre en compte le caractère élastique de la couche adhésive, mais permettant aussi de mieux appréhender la redistribution des contraintes dans la colle, et ainsi mieux interpréter les essais mécaniques réalisés. Des analyses par Microscopie à Force Atomique (AFM) ainsi qu’au microscope électronique à balayage (MEB) ont été effectués sur les substrats encollés pour évaluer l’impact des traitements de surface. Des simulations numériques par la method des éléments finis ont été réalisées pour determiner l’état de contrainte dans nos éprouvette d’essai et ainsi expliquer la courbure du front de fissure et les faciès de rupture observés. Les nouvelles configurations expérimentales décrites dans ce manuscript nous paraissent prometteuses car elle offrent une amelioration très significative en terme de fiabilité et précision comparativement aux tests présentés habituellement pour ce type de travaux.
-Adhésion
-Fissuration
-Rupture
-Joints collés asymétriques
Adhesion was studied in asymmetric bonded joints using fracture mechanics tests. The asymmetric bonded joints consist of two different type and/or thickness materials bonded by an adhesive. Mentions of asymmetric bonded joint tests employed so far are rare in the literature. They are imperfect and therefore are not standardized. Accordingly three new tests were introduced in this work to study bonded joints. The new metrological routines and models were built for the CRT (Constant Rate Test), CFT (Constant Force Test) and the CDT (Constant Displacement Test). The routines were validated with the new Artificial Crack Tip test developed in this thesis. Different bonded systems were examined: the adhesives - epoxy, cyanoacrylate, acrylic mastic, PSA; the bonded adherends - aluminium alloys, CFRP composites and polycarbonate. The results obtained in the new tests are very promising in terms of the accuracy and continuous observation of crack kinetics. In addition it was found that the novel strain gauge technique, introduced in the CDT, test allows precise joint monitoring when the adhesive is in a metastable state and a precise estimation of process zone. Another interesting achievement of this work was describing the phenomenon of double crack curvature in the vicinity of the strong – weak adhesion transition zone. The next achievement was derivation of the strain energy release rate from the elastic foundation model, which gives better understanding of the mechanics and the measurements behind adhesive bonding. Atomic Force Microscope (AFM) and Scanning Electron Microscope (SEM) studies were made of the bonded substrates to estimate the surface treatment effects. The stress state in asymmetric geometry was studied using finite element analysis (FEA), which explained the formation of the curved crack front and the origin of river patterns. The new tests developed in this study appear promising since they offer accurate and reliable results for the materials tested.
-Adhesion
-Crack propagation
-Fracture
-Asymmetric joints
-Adhezja
-Pekanie
-Propagacja szczeliny
-Zlacza asymetryczne
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14041/document

Sujets

• Adhésion

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 40
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

Numéro d'ordre de la thèse: 4041
PHD THESIS
BORDEAUX UNIVERSITY
ECOLE DOCTORALE
DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L'INGENIEUR

GDANSK UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
by Michał K. BUDZIK
TO OBTAIN THE DEGREE: PhD
IN: Mecanique et Ingenierie
FRACTURE IN ASYMMETRIC BONDED JOINTS
SUPERVISORS:
Prof. Martin E.R. SHANAHAN (Bordeaux 1 University)
D.Sc. Krystyna IMIELIŃSKA (Gdansk University of Technology)

COORDINATOR:

PhD Julien JUMEL (Bordeaux 1 University)
JURY:

Prof. A.S. WRONSKI (University of Bradford, United Kingdom) – Chairman, Reviewer
Prof. W. POSSART (University of Saarland, Germany) – Reviewer
DSc. M. WASILCZUK (Gdansk University of Technology, Poland) – Reviewer
DSc. M. SZKODO (Gdansk University of Technology, Poland) – Member
Prof. A. ZIELINSKI (Gdansk University of Technology, Poland) – Member
PhD. J. JUMEL (Bordeaux 1 University, France) – Member
Prof. M.E.R. SHANAHAN (Bordeaux 1 University, France) – Supervisor
DSc. K. IMIELINSKA (Gdansk University of Technology, Poland) - Supervisor


Within Joint-Thesis Agreement between Bordeaux University and Gdansk University of

Technology

Gdansk, 18.06.2010 FRACTURE IN ASYMMETRIC BONDED JOINTS


Acknowledgements

I wish to thank
My supervisors:
Prof. Martin E.R. Shanahan for taking me under his wings, much precious advice, inspiration
and coordination of my research as well as friendship
and
Dr. Krystyna Imielińska for coordinating my research programme in Poland, encouragement
and friendship, valuable consultations and assistance
I am grateful
Julien Jumel, my amazing coordinator in France for his guidance and inspiration, as well as
his friendliness and partnership cooperation that made my work and life in Bordeaux much
easier
Jean Marc Olive for his commitment in the French-Polish collaboration program and creating
the opportunity for my doctoral studies in France
Prof. Andrzej Zielinski for establishing and developing the scientific contacts with LMP,
which allowed my work there
Jeremy Guitard and Lech Targan for their everyday efforts to facilitate my experimental work
Bernard Hosten, Michel Castaings and Christine Biateau for their assistance in ultrasonic
studies
The French Government for financial support (PhD grant) that enabled my stay and work in
France

My family, wife – Jadzia for her patience and support, parents, sister for believing in me

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Michał K. Budzik

Abstract
Adhesion was studied in asymmetric bonded joints using fracture mechanics tests. The
asymmetric bonded joints consist of two different type and/or thickness materials bonded by
an adhesive. Mentions of asymmetric bonded joint tests employed so far are rare in the
literature. They are imperfect and therefore are not standardized. Accordingly three new tests
were introduced in this work to study bonded joints. The new metrological routines and
models were built for the CRT (Constant Rate Test), CFT (Constant Force Test) and the CDT
(Constant Displacement Test). The routines were validated with the new Artificial Crack Tip
test developed in this thesis. Different bonded systems were examined: the adhesives - epoxy,
cyanoacrylate, acrylic mastic, PSA; the bonded adherends - aluminium alloys, CFRP
composites and polycarbonate. The results obtained in the new tests are very promising in
terms of the accuracy and continuous observation of crack kinetics. In addition it was found
that the novel strain gauge technique, introduced in the CDT, test allows precise joint
monitoring when the adhesive is in a metastable state and a precise estimation of process
zone. Another interesting achievement of this work was describing the phenomenon of double
crack curvature in the vicinity of the strong – weak adhesion transition zone. The next
achievement was derivation of the strain energy release rate from the elastic foundation
model, which gives better understanding of the mechanics and the measurements behind
adhesive bonding. Atomic Force Microscope (AFM) and Scanning Electron Microscope
(SEM) studies were made of the bonded substrates to estimate the surface treatment effects.
The stress state in asymmetric geometry was studied using finite element analysis (FEA),
which explained the formation of the curved crack front and the origin of river patterns. The
new tests developed in this study appear promising since they offer accurate and reliable
results for the materials tested.

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FRACTURE IN ASYMMETRIC BONDED JOINTS


Streszczenie
W pracy przedstawiono wyniki badań asymetrycznych złączy adhezyjnych z wykorzystaniem
prób mechaniki pękania. Asymetryczne złącza klejone powstają przez połączenie dwóch
dowolnych materiałów, o innym wskaźniku na zginanie, za pomocą kleju. Zaproponowano
trzy nowe metody eksperymentalne dla których zaprojektowano i zbudowano stanowiska
badawcze. Poprawność modeli fizycznych i matematycznych wykorzystanych do interpretacji
badanych zjawisk potwierdzono wykorzystując opracowaną w pracy próbę ze sztucznym
frontem pęknięcia. Próby przeprowadzono na złączach klejonych wykorzystując kleje:
epoksydowe, cjanoakrylowy, typu Mastic i PSA, łączonymi materiałami były: stopy
aluminium, kompozyt węglowy oraz poliwęglan. Wyniki badań uzyskane przy wykorzystaniu
nowych metod wskazują na ich pewność i dokładność, dodatkowo umożliwiają ciągłą
obserwację propagującego pęknięcia. Nowa metoda pomiaru parametrów mechaniki pękania
oparta na pomiarach tensometrycznych została z powodzeniem zastosowana do złączy w
których klej znajduje się w stanie metastabilnym. W pracy zaobserwowano i przeanalizowano
zjawisko powstawania podwójnego frontu pęknięcia na granicy ośrodków o różnych siłach
adhezji, dotąd nie opisanego. Po raz pierwszy wyprowadzono równanie szybkości uwalniania
energii sprężystej wykorzystując model belki na sprężystym podłożu, co umożliwia lepsze
zrozumienie zachowania się złączy klejonych. Przeprowadzone badania z użyciem
mikroskopii sił atomowych (AFM) oraz skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM)
umożliwiły ocenę efektów obróbki powierzchniowej stopów aluminium. W pracy dokonano
analizy naprężeń w asymetrycznych złączach adhezyjnych z wykorzystaniem metody
elementów skończonych (FEM). Analiza FEM pozwoliła na wyjaśnienie zjawiska
powstawania zakrzywionego frontu pęknięcia w badanych przełomach. Zaproponowane nowe
metody badań złączy asymetrycznych zapewniają dokładność i pewność pomiaru dla
materiałów wykorzystanych w badaniach.


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Michał K. Budzik

Résumé
Des tests de fissuration ont été réalisés sur des joints collés asymétriques. Ces assemblages
asymétriques sont constitués de deux substrats de nature et/ou d’épaisseur différentes liés par
un adhésif. Cette géométrie d’éprouvette semble peu utilisée pour effectuer des essais de
fissuration. Elles présentent certains inconvénients et de ce fait n’ont fait l’objet d’aucune
normalisation. Dans le cadre cette géométrie d’éprouvette d’essai a été néanmoins été retenue
et utilisée dans trois configurations différentes pour la caractérisation mécanique des
assemblages collés. Des protocoles d’essai et les schéma d’analyse associés ont été définis
pour des essais de fissuration à vitesse de déplacement imposé (CRT : Constant Rate Test), à
force imposée (CFT : Constant Force Test) ainsi qu’à déplacement imposé (CDT : Constant
Displacement Test). Les analyses ont pu être étalonnées au moyen d’un étau matérialisant
artificiellement la position d’un fissure. De nombreuses configurations ont été étudiées à
l’occasion de ce travail tant du point de vue des adhésifs utilisés (epoxy, cyanoacrylate,
acrylic mastic, PSA) que du point de vue des substrats encollés (alliage d’aluminium,
composite à matrice organique, polycarbonate). Ces nouveaux tests s’avèrent prometteurs car
ils permettent de suivre de façon continu et précision la propagation de fissure au sein de la
liaison. En outre, l’analyse des déformations mesurées par extensométrie lors d’essai réalisés
à déplacement imposé (CDT) permet un suivi précis de la réponse de la couche adhésive dans
la zone contrainte et d’estimer la taille de cette dernière, y compris lorsque la colle est dans un
état métastable. Un autre résultat important de ce travail concerne l’analyse de la modification
du front de fissure celle-ci voit une diminution de l’adhésion entre les deux substrats. Enfin,
un calcul plus précis du taux de restitution d’énergie a été proposé pour prendre en compte le
caractère élastique de la couche adhésive, mais permettant aussi de mieux appréhender la
redistribution des contraintes dans la colle, et ainsi mieux interpréter les essais mécaniques
réal