Le travail mené dans ce chapitre a dans un premier temps été consacré à l’étude de la dégrada- tion du tissu composite pour une sollicitation de traction dans l’axe des renforts ([0◦]
2). Combinés
à des clichés micrographiques, les champs de température et de sources ont permis d’améliorer la caractérisation de la cinétique d’endommagement en apportant des précisions sur sa description spatiale et temporelle. Les résultats ont alors confirmé que la fissuration intralaminaire des mèches transverses représente le mode d’endommagement principal dans cette configuration, celle-ci étant accompagnée de plusieurs décohésions d’interface. Les mesures thermiques ont également mis en évidence l’hétérogénéité du champ de température inhérente à la configuration intrinsèque du ma- tériau. En effet, bien que les éprouvettes soient minces (≈ 0.65 mm), la faible conductivité du matériau dans l’épaisseur devant l’intensité des champs de source associés aux fissurations ma- tricielles engendre un champs de température fortement hétérogène. Afin d’obtenir des résultats quantitatifs, la résolution du problème thermique 3D a été considérée. À partir de cette approche dite 3D, une estimation du G intralaminaire est obtenue (Gmoy = 0.58 kJ.m−2) et s’avère en concor-
dance avec celle obtenue dans la littérature pour une propagation interlaminaire ou intralaminaire en mode I (GIc).
La suite du chapitre a été consacrée à la caractérisation du rapport d’énergie mécanique conver- tie en chaleur (β), paramètre essentiel pour la connaissance précise du taux de restitution d’énergie
G. Des essais de traction désorientée ([±45◦]
2) et de cisaillement au rail ([0◦]4) ont dans un premier
temps été étudiés afin de déterminer l’ordre de grandeur du rapport β associé au phénomène d’in- élasticité de la résine. Les observations micrographiques ont d’abord révélé que la présence d’une contrainte de traction engendrait un comportement fragile de la résine se traduisant par l’appa- rition de microfissurations intramèches, de rares métadélaminages et de ruptures de fibres. Dans le cas d’une sollicitation de cisaillement pur, l’affaiblissement du module de cisaillement provient plutôt des phénomènes de fissuration à l’échelle des chaînes macromoléculaires car aucun endom- magement n’est observé à l’échelle microscopique. Quelle que soit la configuration, aucun de ces endommagements n’a pu être détecté à partir des mesures thermiques. Ces dernières ont toutefois permis l’estimation des énergies moyennes mises en jeu pour les deux configurations. Les résultats obtenus nous amènent à penser que lorsque la résine est sollicitée en cisaillement quasi statique la proportion d’énergie mécanique convertie en chaleur, qui atteint en moyenne βmoy = 0.3, reste plus
faible que lorsque l’état de contrainte correspond à un état de traction combinée à du cisaillement impliquant plusieurs microfissurations (βmoy= 0.55).
Dans une dernière partie, des essais de propagation de coupure ont été conduits sur deux dra- pages différents [0◦]
2 et [±45◦]2. Les mesures thermiques sont alors utilisées pour estimer le taux
de restitution d’énergie calorifique Gir mais également pour décrire l’évolution spatiale de l’endom-
magement et suivre la pointe de la coupure. Ces mesures, combinées à des mesures mécaniques, révèlent que lorsque l’endommagement du matériau est dominé par un mode de fissuration fragile, l’énergie mécanique irréversible est quasi intégralement dissipée en chaleur. Cette constatation est valable tant pour les drapages [0◦]
2 où β0 = 0.92 que pour les drapages ([±45◦]2) où β45= 0.95. La
proximité des valeurs de Gir obtenues sur les deux faces du tissu illustre la validité de l’approche
thermique bidimensionnelle pour l’estimation quantitative des champs d’énergie dissipée en pro- pagation de coupure. Enfin, nous avons pu observer que les taux de restitution d’énergie calculés correspondaient aux GIc relevés dans la littérature pour la rupture translaminaire des stratifiés.
En conclusion, même si la sensibilité du paramètre β aux différents modes de dégradation nécessite d’être étudiée plus en détail, il peut être supposé comme un paramètre matériau constant au cours d’un essai de propagation dominé par un mode fragile d’endommagement. De plus, pour la résine époxyde considérée dans cette étude, il semble que le phénomène de fissuration dissipe
III.4 Conclusion
environ 90% à 100% de l’énergie mécanique en chaleur. Ainsi, dans le cas d’un phénomène de fissuration fragile, la méthode développée s’avère être une technique alternative performante pour la mesure locale de taux de restitution d’énergie, et ce même dans les cas où les variations de raideurs dues aux phénomènes de fissuration restent faibles.
IV
Étude de la
propagation de
coupure dans les
stratifiés UD
Sommaire
IV.1 Introduction . . . 140 IV.2 Propagation de coupure dans les stratifiés UD monolithiques . . . 141 IV.2.1 Étude expérimentale de la fissuration intralaminaire sous traction QS . . . 141 IV.2.1.1 Protocole expérimental et caractéristiques du matériau étudié . . 141 IV.2.1.2 Description des scénarii de rupture . . . 142 IV.2.1.3 Taux de restitution d’énergie associés aux différentes configurations147 IV.2.1.4 Bilan . . . 149 IV.2.2 Mesure locale du G associé à la rupture d’un paquet de fibres en traction . 149 IV.2.2.1 Procédure expérimentale . . . 149 IV.2.2.2 Mesure du taux de restitution d’énergie . . . 151 IV.2.3 Propagation translaminaire sous chargement de compression QS . . . 153 IV.2.3.1 Configurations expérimentales . . . 153 IV.2.3.2 Caractérisation de la rupture en compression . . . 154 IV.2.3.3 Taux de restitution d’énergie pour une rupture en « kink band » . 156 IV.2.3.4 Comparaison par rapport aux résultats de la littérature et discussion159 IV.3 Étude de la rupture en compression dans les stratifiés quasi isotropes 161 IV.3.1 Procédure expérimentale : protocole, matériau et fabrication . . . 161 IV.3.2 Description du scénario d’endommagement . . . 162 IV.3.3 Estimation du taux de restitution d’énergie G associé à la propagation
translaminaire d’une fissure en compression . . . 165 IV.3.3.1 Principales hypothèses . . . 165 IV.3.3.2 Résultats . . . 166 IV.3.4 Discussion . . . 168 IV.4 Conclusion . . . 169
IV.1 Introduction
IV.1 Introduction
La mise au point de méthodes numériques basées sur les approches de la mécanique linéaire de la rupture [Wisnom, 2010;Bouvet et al., 2012] nécessite la caractérisation des paramètres associés à la propagation d’une fissure (taux de restitution d’énergie critique Gc, facteur d’intensité des
contraintes critique Kc, intégrale J). Or, à l’heure actuelle, les différentes procédures expérimen-
tales développées à cet effet sont quantitativement fiables et reproductibles pour finalement peu de configurations (rupture interlaminaire en mode I et mode II). Comme souligné dans le Chapitre I, cette problématique est principalement liée à la difficulté d’obtenir un mode de propagation stable impliquant un seul type de fissuration. Les modes de propagation translaminaire restent, en parti- culier, parmi les plus complexes à caractériser.
En effet, la difficulté liée à l’obtention d’une propagation stable en rupture translaminaire, que ce soit en traction ou en compression, conduit généralement à l’utilisation de drapages multidirec- tionnels impliquant plusieurs modes de fissuration. Or, pour ces deux modes de sollicitation, les méthodes expérimentales employées dans la littérature restent inaptes à dissocier la contribution des différents types de fissuration impliqués. L’estimation du taux de restitution d’énergie associé à ce mode de rupture est alors généralement obtenue via l’utilisation de modèles numériques [Pinho
et al., 2006 ;Laffan et al., 2012a] nécessitant la connaissance de la loi de comportement du maté- riau. Par ailleurs, pour l’étude de la propagation en compression, les approches proposées dans la littérature [Pinho et al., 2009 ;Laffan et al., 2012a], restent pour l’instant limitées à la caractérisa- tion de l’initiation de la fissuration.
La rupture intralaminaire des stratifiés monolithiques a également été peu étudiée, en dehors du mode d’ouverture [Truss et al., 1997 ;Pinho et al., 2009 ; Canal et al., 2012], puisque généra- lement le taux de restitution d’énergie est considéré du même ordre de grandeur que celui obtenu pour la rupture interlaminaire. Même si ce mode de propagation reste moins problématique que la rupture translaminaire, les faibles variations de raideur impliquées par la rupture intralaminaire compliquent les mesures de taux de restitution d’énergie à partir des méthodes expérimentales classiques, en particulier pour les stratifiés minces.
Ce chapitre a donc pour objectif d’apporter des précisions sur les taux de restitution d’énergie associés aux deux modes de propagation précédemment cités, pour lesquels les méthodes utilisées dans la littérature restent délicates à mettre en place. L’utilisation de drapages unidirectionnels mo- nolithiques est privilégiée afin de limiter la contribution des modes parasites de fissuration. Dans une première partie, nous nous intéressons à la rupture translaminaire et intralaminaire de dra- pages monolithiques constitués de plis unidirectionnels verre/époxyde. La procédure expérimentale développée dans ce travail de thèse est alors utilisée pour caractériser la propagation intralami- naire en traction, la rupture d’un paquet de fibres en traction et la propagation translaminaire en compression. Pour ce dernier, l’instabilité de propagation inhérente à ce mode de rupture nous a amenés à tester plusieurs configurations. Devant l’inaptitude des configurations testées à conférer une propagation stable, nous avons, dans une deuxième partie, étudié la rupture en compression de plis en surface - orientés perpendiculairement à la direction de chargement - sur deux stratifiés multidirectionnels carbone/époxyde. Deux configurations sont alors testées, un essai de CAI (Com- pression Après Impact) et un essai d’indentation quasi statique. Enfin, pour les diverses études présentées dans ce chapitre, la pertinence des résultats obtenus est discutée vis-à-vis des travaux de la littérature.