Essais Mécaniques

Tous les essais mécaniques sur fibres ont été conduits dans une salle climatisée avec une humidité relative de 50 ± 5 % et une température de 21 ± 1°C.

2.4.1 Description de la machine d’essais mécaniques.

La machine d’essais mécaniques utilisée, ainsi que les boîtiers électroniques associés (Fig. 2.1), ont été développés au Centre des Matériaux, d’après la machine conçue par Bunsell et al. [BUN71B].

Cette machine est capable de réaliser des essais de traction uniaxiale, fluage, relaxation de contraintes et fatigue sur monofilaments sous très faible charge. Une cellule de charge Sensotec de 250 g étalonnée de 0 à 100 g avec une précision de 0.01 g a été utilisée. La cellule permet le suivi d’une charge statique ou cyclique. Dans le cas des essais de fatigue, une sollicitation sinusoïdale est superposée à la charge moyenne. Cette sollicitation est assurée par un pot vibrant pouvant travailler de 20 Hz à 18 kHz.

La machine est constituée d’un mors “fixe” lié au pot vibrant et d’un chariot mobile sur lequel est fixé le mors “mobile”. Le déplacement du chariot est assuré par une vis mère asservie par un moteur dont la vitesse peut être adaptée selon le type d’essai. Son déplacement est suivi par un capteur LVDT (Linear Voltage Displacement Transducer) de précision 50 µm.

Le système électronique de la machine pilote l’asservissement et la gestion des seuils. Sa fonction consiste à asservir la distance entre les mors grâce au moteur qui maintient la charge maximale constante. Dans ces conditions, il devient possible de solliciter la fibre en contrôlant très précisément la charge maximale appliquée et donc d’observer un phénomène de fatigue. Des sécurités de charge et fin de course sont disponibles.

Le pilotage du pot vibrant (Fig. 2.1c) est assuré par un système électronique permettant de travailler à différentes fréquences et à charges constante minimale, maximale ou moyenne.

L’acquisition et le stockage des données sont assurés à l’aide d’un ordinateur relié à la machine, via une carte National Instrument avec un logiciel ATS de la société SYSMA.

(a)

(b) (c)

Fig. 2.1 (a) Machines d’essais mécaniques. (b) Pilotage de la machine. (c) Pilotage du pot vibrant.

2.4.2 Préparation des échantillons.

La caractérisation mécanique des échantillons a été réalisée sur des fibres unitaires (monofilaments), extraites des mèches, elles-mêmes prélevées dans des bobines. La méthode de préparation des échantillons adoptée est identique pour toutes les fibres et pour chaque type d’essai : une fibre de longueur de jauge lo de 30 mm a été fixée entre deux bouts de papier bristol enduits de néoprène. Ce sont ces bouts de papier qui ont été ensuite positionnés dans les mors de la machine réduisant ainsi les ruptures aux mors lors des essais mécaniques.

Quelques essais de fatigue ont été effectués sur plusieurs mèches afin de les analyser par calorimétrie différentielle à balayage et par diffraction de rayons-X aux grands angles. Les mèches ont été disposées une à coté de l’autre et montées entre deux grands bouts de papier bristol enduits aussi de néoprène.

2.4.3 Essais de traction.

Un essai de traction uniaxiale permet la détermination des caractéristiques mécaniques telles que la contrainte à rupture des échantillons, la déformation à rupture ou bien encore le module d’Young des fibres. A partir de la contrainte à rupture moyenne, les conditions limites de sollicitation lors des essais de fatigue peuvent être définies. Ces données seront par la suite corrélées aux paramètres microstructuraux des fibres.

Les fibres polymériques présentent une dispersion importante au niveau de leurs propriétés mécaniques, telles que la contrainte et la déformation à rupture. Cette dispersion impose d’effectuer un nombre relativement élevé d’essais afin d’obtenir une valeur moyenne représentative de la population. L’origine de cette dispersion peut classiquement être attribuée à la distribution de défauts de diverses natures présents le long d’une fibre (cf. §3.1). L’évaluation de grandeurs mécaniques représentatives d’une série de fibres passe donc nécessairement par la détermination du nombre minimal d’essais à effectuer.

Conformément à la littérature [OUD94, VEV87A, PON98, MAR03B], au moins 30 essais de traction par type de fibre sont nécessaires pour obtenir une valeur moyenne des propriétés mécaniques. La vitesse de déformation (dε/dt) employée a été de 100%.min-1.

A partir des données obtenues lors des essais de traction, les grandeurs suivantes ont été déterminées :

• La contrainte à rupture σR. Cette grandeur est une contrainte nominale qui se calcule en divisant la charge à rupture FR par la section initiale So de la fibre :

o R R

S

F

=

σ

• La déformation à rupture εR, qui s’obtient en divisant l’allongement total ∆l par la longueur de jauge lo de la fibre : o R l l ∆ = ε

• Le module initial Ei, qui s’obtient par la détermination de la pente initiale sur la courbe contrainte/déformation.

2.4.4 Essais de fatigue sur monofilaments.

A l’aide du pot vibrant qui permet d’appliquer à la fibre une sollicitation sinusoïdale, des essais de fatigue ont été réalisés à la fréquence de 50 Hz (Fig. 2.2). Les essais ont été menés de deux façons :

• D’une part, en asservissant la charge maximale (Fmax).

Le mode de pilotage de la machine positionné en MAXI permet d’augmenter la charge jusqu’à sa valeur maximale et ensuite d’initier la sollicitation cyclique ; la charge maximale est maintenue constante le long de l’essai. Ce mode est utile pour les essais où la charge minimale est nulle.

• D’autre part, en asservissant la charge moyenne (Fmoy).

Le mode de pilotage de la machine positionné en MOYEN permet d’augmenter la charge jusqu’à sa valeur moyenne et après d’initier la sollicitation cyclique ; la charge moyenne est maintenue constante le long de l’essai. Ce mode est choisi pour les essais de fatigue à charge minimale non nulle.

Fmoy Fnulle Fmin Seuil Charge Temps Fmax Amplitude de charge

Fig. 2.2 Schéma montrant les paramètres d’un essai de fatigue.

Pour chaque essai de fatigue, un étalonnage du dispositif de mesure de la charge cyclique a été effectué. En outre, il a été nécessaire, au cours des premières minutes de chaque essai, de veiller au maintien de la charge, afin de respecter les conditions expérimentales initialement fixées. Pour cela, un oscilloscope relié à la cellule piézo-électrique et un stroboscope synchronisé sur le dépla cement du pot vibrant ont été utilisés pour éviter un éventuel flambement des fibres. Dans le cas où la charge minimale est égale ou supérieure à zéro (Fig. 2.3a), un signal sinusoïdal parfait est observé sur l’oscilloscope donnant l’impression d’un état statique de la fibre si celle -ci est observée avec le stroboscope. En revanche, si la charge minimale est inférieure à zéro – la fibre entre en compression –, la partie inférieure du signal sinusoïdal est aplatie et un flambement de la fibre est observé avec le stroboscope (Fig. 2.3b).

(a) Charge minimale = 0 (b) Charge minimale < 0

Stroboscope

Oscilloscope

Fig. 2.3 Schéma montrant une fibre sollicitée cycliquement avec une charge

minimale (a) égale ou supérieure à zéro et (b) négative.

Un compteur muni d’un seuil permet l’arrêt automatique du comptage à la rupture de l’échantillon et donc, de connaître exactement la durée de vie des fibres sollicitées cycliquement.

2.4.5 Essais de fatigue sur mèches.

Quelques faisceaux de fibres (mèches) PA66-A ont été sollicités cycliquement à l’aide d’un dispositif traditionnel de type Instron (AllTest II) pourvu d’une cellule de charge de 500 daN. La sollicitation a été faite dans des conditions provoquant la fatigue.

2.4.6 Essais d’hystérésis.

Dans un essai de sollicitation cyclique, on observe pour un matériau viscoélastique une hystérésis dont la surface circonscrite est égale à l’énergie mécanique dissipée [KAU01]. Tout élargissement de l’hystérésis signifie un affaiblissement et/ou un endommagement du matériau. Le suivi et l’analyse de la forme d’hystérésis lors d’un essai de fatigue constituent un moyen efficace de détecter le début d’un endommagement généralisé d’un échantillon ou de vérifier l’état d’un objet en service. Toutefois, une non-évolution de la forme de l’hystérésis n’est pas forcement représentative de l’état de l’échantillon dans la mesure où des défauts très localisés n’y trouvent pas toujours leur expression.

La réalisation de ce type d’essais a permis d’étudier l’évolution de la quantité d’énergie mécanique dissipée par un monofilament, au cours d’une sollicitation cyclique et ce, dans différentes conditions de chargement pouvant induire soit un phénomène de fatigue, soit une totale annihilation de celui-ci.

Lors de la sollicitation cyclique, il suffit de collecter les signaux de force et de déformation cycliques à plusieurs nombres de cycles.

A partir du tracé des courbes d’hystérésis, la quantité d’énergie dissipée par cycle a été déterminée par l’intégration des courbes à l’aide du logiciel Origin (Microcal Software Inc., USA).