Part I : Résumé étendu en Français
7) Conclusion générale et perspectives
Ce travail de thèse avait deux objectifs principaux, tout d‟abord étudier l‟évolution de l‟endommagement d‟un composite à base polyamide 66/6 renforcé par un sergé 2,2 de fibre de verre. Ce matériau a été développé par Dupont de Nemours et le groupe PSA en vue de remplacer une partie des pièces métalliques dans les véhicules de série. Ceci doit permettre de réduire le poids du véhicule sans réduire ses performances mécaniques ainsi que sa durée de vie. Ensuite, ce travail visait également à étudier des méthodes de Contrôle Non Destructif (CND) ultrasonore et plus particulièrement leur capacité à quantifier différents
Figure 32 : (a) Evolution du maximum de coefficient de corrélation avec la position des transducteurs. (b) Evolution du décalage temporelle avec la position des
transducteurs. Les mesures sont faites sur la plaque impactée à 20 J
(a)
états d‟endommagement induit sur des matériaux composite. Ainsi, différentes méthodes de CND ont été étudiées sur des matériaux préalablement endommagés via différents types de sollicitions mécaniques.
Dans un premier temps, le comportement mécanique et les modes d‟endommagement lors de sollicitations en traction quasi-statique sont étudiés. Deux orientations d‟échantillon ont été considérées : suivant les fibres du sens chaine et orientées à 45° du sens chaine. A l‟échelle macroscopique, on note deux réponses bien distinctes. Pour la configuration 0°, une réponse contrainte/déformation linéaire fragile avec un endommagement induit limité. Tandis que pour la configuration 45°, on note une réponse non linéaire ductile avec une augmentation nette de l‟endommagement. L‟évolution de l‟endommagement a été ici estimée par réduction du module élastique. Les champs de déformation, obtenus par corrélation d‟image, montrent de plus que pour la configuration 0° la sollicitation en traction entraine majoritairement une déformation uniforme suivant la direction de chargement. Pour la configuration 45°, on observe d‟abord également une augmentation progressive de la déformation suivant l‟axe de chargement puis un couplage entre le cisaillement plan et la traction. Cette réponse est en fait induite par un effet de réorientation des fibres le long de la direction de chargement. Cette différence de réponse mécanique entraîne également différents mécanismes de rupture. C‟est-à-dire une fissure droite et net pour les échantillons en configuration 0° et une fissure en escalier avec du délaminage visible sur les tranches des échantillons en configuration 45°.
Les mécanismes d‟endommagement entrainant la ruine ont ensuite été étudiés à l‟échelle microscopique. L‟initiation de l‟endommagement par décohésion fibre/matrice a été tout d‟abord observée lors d‟essais de traction in-situ au Microscope Electronique à Balayage (MEB). Les autres mécanismes ont dû être observés au tomographe à rayons X suite à différentes difficultés lors des essais MEB. Des échantillons en configuration 0° et 45° ont été observés. Un schéma d‟endommagement différent a été noté pour chacune des configurations. Pour la configuration 0°, des mécanismes d‟endommagement principalement de faible taille caractéristique ont été observés. En revanche pour
l‟orientation 45°, on a pu noter des endommagements de grandes tailles, principalement du flambage de fibres et du pseudo-délaminage. Cette différence de mécanismes entraine une évolution de l‟endommagement global distincte. Cette dernière a été estimée par mesure du taux volumique de vides sur les reconstructions 3D des échantillons endommagés. Son évolution en fonction du chargement appliqué présente une évolution similaire à celle de la réduction du module élastique.
Différentes méthodes de Contrôle Non Destructif (CND) basées sur les ultrasons ont ensuite été étudiées. Tout d‟abord, des C-scans ultrasonores d‟échantillons en configuration 0° et 45° ont été faits. Les échantillons ont été préalablement endommagés en traction à différents niveaux de chargement. Seuls les endommagements macroscopiques apparaissant sur les échantillons en configuration 45° ont pu être imagés. La méthode de calcul des constantes de rigidité par mesure des vitesses de phase a alors été considérée. Grace à cette méthode, l‟évolution anisotrope de l‟endommagement, après chargement en traction, a pu être observée. Cette évolution est par ailleurs très dissemblable pour les deux configurations et est en accord avec l‟évolution des champs de déformation mesurée par corrélation d‟image. C‟est-à-dire une décroissance des composantes de rigidité dépendant de la direction de chargement pour la configuration 0° et une décroissance de tous les composantes du plan du tissage, y compris le cisaillement plan, pour la configuration 45°. Deux indicateurs d‟endommagement basés sur les mesures précédentes ont par la suite été proposés. Le premier est la norme de Frobenius du tenseur de rigidité obtenu et le deuxième est la moyenne, sur tous les plan principaux utilisés, du déphase du signal mesuré par rapport à un signal obtenu sur un matériau sain. Leur évolution, surtout pour le deuxième, est proche de ce qui a été observé grâce aux essais de tomographie et de traction. Les ondes guidées ont ensuite été utilisées pour inspecter les mêmes échantillons. Les modes transmis ont tout d‟abord été analysés pour différents cas d‟endommagement, mais aucun changement dans la nature des modes transmis n‟a été observé quel que soit le niveau de chargement et la configuration des échantillons. D‟autres indicateurs ont alors été proposés comme l‟énergie du signal transmis. L‟évolution de ce dernier est bien en accord avec les autres méthodes d‟estimation de l‟endommagement utilisées jusqu‟ici et indique une
évolution plus importante de l‟endommagement avant la ruine pour un échantillon en configuration 45° que pour l‟autre configuration.
Enfin, une étude de validation des méthodes proposées grâce à des essais d‟impact par poids tombant sur des échantillons est proposée. Différents niveaux d‟impact ont été utilisés tout en essayant de rester dans le domaine des endommagements à peine visibles. Il a été montré, par observation visuelle et tomographie à rayon X, que l‟endommagement induit augmente avec l‟énergie d‟impact. L‟indentation permanente a été mesurée par pulse-écho ultrasonore sur les quatre plaques. Sa taille augmente également avec l‟énergie d‟impact ce qui en fait également un bon indicateur de l‟endommagement interne induit. La méthode de mesure du tenseur de rigidité a pu détecter une évolution de l‟endommagement dès 17.5 J. A partir de ce niveau d‟énergie, l‟ensemble des composantes diminue, à l‟exception de C12 et C44, avec l‟augmentation du niveau d‟énergie. L‟indicateur
d‟endommagement du déphasage augmente lui de façon nette dès 15 J. Enfin, comme l‟indicateur d‟endommagement basé sur l‟amplitude du signal transmis n‟a pas pu caractériser l‟endommagement induit par impact, une autre méthode de traitement a été considérée. Le décalage temporel a alors été estimé par corrélation croisée et a montré une évolution fonction de l‟énergie d‟impact. La localisation de l‟endommagement a pu être détectée lors de scan effectué sur toute une plaque. Cependant, le montage expérimental, dans son état actuel, présente de larges variations dans les mesures effectuées. Ces variations sont actuellement attribuées à une mauvaise qualité de couplage entre les transducteurs et l‟échantillon.