Analyse des mécanismes d’endommagement en fatigue flexion trois points

Nous avons réalisé ici, une analyse des mécanismes d’endommagement sur une éprouvette sens travers sollicitée en fatigue flexion trois points à 10Hz. Avec un pilotage en déplacement (flèche de 2.5 mm) l’éprouvette présente une durée de vie de l’ordre de 10 000 cycles. Nous avons ensuite effectué un second essai avec les mêmes paramètres mais que nous avons arrêté à 1000 cycles ce qui correspond à la fin de la première phase de baisse de raideur rapide comme on peut le voir sur la figure 4-14 qui présente l’évolution de la charge en fonction du nombre de cycles pour la flèche appliquée.

Figure 4-14 Courbe charge – nombre de cycles en fatigue flexion trois points pour une flèche de 2.5 mm

L’éprouvette préalablement polie et métallisée a été soumise à des observations MEB, nous nous sommes particulièrement intéressés à la zone peau juste en dessous de l’axe de sollicitation. Les images obtenues sont présentées dans la figure 4-15.

Figure 4-15 Observations MEB pour l'essai de fatigue flexion trois points interrompu à 10% de la durée de vie

0 10 20 30 40 50 60 70 0 5000 10000 15000 Ch ar ge d e fl e xi o n (N ) Cycle N

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Sur ces images, nous observons que malgré un arrêt effectué à seulement 10% de la durée de vie, une grande parties des fibres sont déjà endommagées (aux alentours de 70% des fibres dans la zone observée). En effet, le point d’observation se situe sur la courbe charge / nombre de cycles présentée dans la figure 4-14 juste avant le pseudo-plateau durant lequel la charge évolue peu. L’endommagement observé correspond donc à celui atteint à la fin du premier régime de fatigue. Au paragraphe 1.2.4 du chapitre 1, nous avons vu que la courbe charge / nombre de cycle en fatigue présente trois régimes, le premier pour un nombre de cycle de 1000 correspond généralement à la mise en place du régime thermique, le deuxième correspond à l’amorçage de l’endommagement et le dernier correspond à la propagation et la coalescence des microfissures. Or, nous observons que dès la fin du premier régime nous avons déjà une quasi-saturation de l’endommagement. Nous pouvons donc déduire que dès les premières phases de la fatigue, la mise en place du régime thermique équivalent est couplée à la mise en place d’un état de d’endommagement équivalent qui lui mènera à la rupture finale après un certain nombre de cycle. Nous pouvons en déduire que les premiers cycles de l’endommagement fatigue conditionnent la durée de vie totale de l’échantillon.

Concernant les mécanismes d’endommagement, nous observons à nouveau une diffusion de l’endommagement à travers les interfaces mais aussi à travers la matrice. La plastification de la matrice sous forme de stries a elle aussi été observée dans les endroits les plus endommagés. Par contre nous n’avons pas observé de rupture de fibre à ce niveau de la durée de vie. Soulignons ici que, malgré les effets locaux de la plastification de la matrice qui diffèrent entre le mode de chargement monotone et fatigue, le scénario d’endommagement est semblable à celui observé sous sollicitation monotone : initiation de l’endommagement par décohésion des interfaces fibre-matrice, menant à la création d’une microfissure plus grande se propageant à travers les interfaces et finalement coalescence des microfissures et leur propagation à travers la matrice menant à la rupture du matériau suite à la création d’une macro- fissure.

4.2.4. Comparaison monotone – fatigue par fractographie

Nous avons effectué une étude qualitative dans le but d’analyser et de comparer les mécanismes d’endommagement se produisant lors d’une sollicitation mécanique de type quasi- statique et de type fatigue. Cette étude porte sur la caractérisation sous MEB des faciès de rupture en fatigue et en monotone sur les trois orientations de fibres.

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La figure 4-16 illustre une comparaison des faciès de rupture pour les essais de traction monotone et de fatigue. Pour les trois directions et pour les charges monotones et de fatigue, on peut observer la création de cavités autour de l’interface fibre-matrice indiquant la plasticité locale avant décollement. Cependant, dans le cas de charges de fatigue, on peut également observer des déformations plastiques sous forme de stries situées autour des fibres. Deux conclusions peuvent être proposées à partir de cette observation :

- L’interface fibre-matrice est le maillon le plus faible dans notre matériau et sa décohésion constitue le phénomène d’endommagement prépondérant lors de la sollicitation mécanique que ce soit en quasi-statique ou en fatigue,

- La confirmation de l’interprétation donnée lors de l’analyse macroscopique de l’endommagement et de la plasticité en fatigue dans le paragraphe 3.4.2.1 du chapitre 3 sur la création d’une barrière de déformation plastique située autour des fibres qui permet d’éviter la propagation de microfissures à travers la matrice et conduisant à un endommagement et une déformation plus importante.

- En revanche, les images MEB révèlent une ductilité locale apparente plus élevée dans le cas de la traction. En effet, sous une charge monotone, la matrice autour des fibres se déforme plastiquement librement alors qu’en fatigue, lors de la décharge, la déformation apparente diminue bien que la déformation plastique locale cumulée augmente à chaque cycle.

Ainsi, on peut conclure qu’indépendamment des effets de la plasticité localisée autour des fibres, notre matériau passe par des états d’endommagement équivalents à ceux observés sous chargement monotone. De plus, ces états d’endommagement successifs sont conduits par un phénomène prépondérant : la rupture de l’interface fibre-matrice. L’effet de barrière dû à la déformation plastique localisée étant différent sous chargement monotone et fatigue agira uniquement sur les seuils et les cinétiques d’endommagement. Finalement, on peut conclure que l’effet du type de chargement n’est observé qu’au niveau des seuils et des cinétiques d’endommagement. Cette idée est fondamentale pour l’approche de modélisation proposée au chapitre 5. En effet, l’approche hybride qui y est développée permet de prévoir la durée de vie du composite en fatigue à partir de la modélisation du comportement monotone.

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Figure 4-16 Faciès de rupture en fatigue et en monotone