Essais de traction et de fluage sur éprouvettes entaillées

L’effet de la biaxialité des contraintes sur l’amorçage des fissures de CSC-I est étudié avec des éprouvettes de traction entaillées. Il avait été envisagé d’utiliser des éprouvettes en croix pour des essais sur machine biaxée mais, en plus des contraintes d’ordre technique que cela impliquait pour la circulation du méthanol iodé, des calculs par éléments finis avaient

montré que, pour une épaisseur constante, la déformation plastique se localise exclusivement dans les congés de raccordement. Ce n’est pas le cas pour les éprouvettes entaillées ; en contrepartie, les champs mécaniques sont fortement hétérogènes. On se propose ici de visualiser certains de ces champs calculés pour illustrer les différences entre géométries et ainsi montrer l’intérêt des éprouvettes entaillées pour l’étude. Les essais sur ces éprouvettes ont été réalisés à vitesse de déformation macroscopique imposée ou à force constante (essais de fluage).

Figure III.14 : Estimation du rapport de biaxialité dans les différentes géométries, au centre et au bord du ligament (gauche), et distributions de la déf ormation plastique équivalente pour un niveau de déformation macroscopique de 5%.

Figure III.15 : Evolution de la déformation plastique cumulée

ε

déformation macroscopique Ep (gauc he) et évolution de la c ontrainte principale σp1 en

III.3 Calcul des champs mécaniques lors des essais de CSC-I de l’étude 97

III.3.1.1Essais de traction à vitesse de déformation imposée

Ces calculs ont été réalisés dans les mêmes conditions que ceux des éprouvettes entaillées pour la CID. On utilise les mêmes variables macroscopique pour le dépouillement.. On rappelle les différents types d’éprouvettes utilisées et les rayons d’entailles correspondants : type 8 (R=0.3 mm), type 9 (R=0.5 mm), type 10 (R=0.7 mm) et type 11 (R=1.0 mm). La direction axiale correspond à la direction transverse (T) du feuillard. Les vitesses de déformation macroscopiques considérées sont de 10-4 s-1 pour l’ensemble des éprouvettes, mais aussi de 10-3 s-1 pour certaines éprouvettes de type 8. Les données de post-traitement se présentent sous deux formes : des iso-valeurs sont utilisées pour illustrer la distribution des champs mécaniques et des courbes d’évolution locales des champs sont tracées en deux points du ligament. Les points choisis sont le centre du ligament et un point du ligament situé à 100 µm du fond d’entaille. La protection des arêtes des éprouvettes par la pâte siliconée masque une partie de la surface que l’on estime à 100 µm. On parlera donc du centre ou du bord du ligament en se référant à ces deux points.

On estime tout d’abord le niveau de biaxialité dans les différentes géométries, défini comme le rapport entre contraintes latérale (L) et axiale (T). Ce rapport est nul dans le cas des éprouvettes lisses de direction T. La Figure III.14 montre qu’il est possible d’obtenir différents états de biaxialité des contraintes en faisant varier le rayon d’entaille. Le rapport de biaxialité va de 0.1 au bord pour les grandes entailles, jusqu’à 0.5 au centre pour les plus petites. On remarque également que le niveau de biaxialité est relativement constant au cours d’un essai. On trace les iso-valeurs de la déformation plastique équivalente, pour une même déformation plastique macroscopique (Figure III.14). Si les champs sont relativement uniformes pour les grandes entailles, la localisation de la déformation en fond d’entaille est très présente sur les plus faibles.

Cela est visible sur les courbes d’évolution de la déformation plastique cumulée en fonction de la déformation plastique macroscopique (Figure III.15) : il y a un « retard » à la plasticité au centre de l’éprouvette de type 8. Les contraintes principales diffèrent selon les éprouvettes à cause des effets de biaxialité principalement mais aussi à cause des différences de vitesse de déformation locale qui varient entre 1 et 8 10-4 s-1. Les différentes géométries disponibles permettent bien de disposer d’autant de configurations mécaniques pour mettre en évidence les variables pertinentes pour l’amorçage des fissures. Pour l’établissement d’un modèle d’amorçage, les variables disponibles sont : la contrainte équivalente σ*, la contrainte principale maximale σp1, la seconde contrainte principale σp2, les contraintes

axiale et latérale σax et σlat, la déformation plastique équivalente (ou cumulée) εpeq, les

déformations axiale et latérale εax et εlat ainsi que les vitesses de déformation axiale et

latérale νax et νlat. Les combinaisons entre contraintes (ou déformations) sont également

considérées.

Les différents essais de CSC-I réalisés permettront de définir les déformations plastiques macroscopiques pour lesquelles les fissures s’amorcent. En traçant des évolutions similaires à celles de la Figure III.15 pour les différents champs mécaniques envisagés, mais en les arrêtant aux déformations d’amorçages, on espère mettre en évidence des tendances renseignant sur les paramètres critiques.

Les courbes force-déformation simulées ont été comparées à celles des essais de CSC-I (non représentées ici). Aucun essai sur ces types d’éprouvettes n’a été fait en milieu inerte mais on peut penser que les courbes macroscopiques expérimentales ne sont que peu modifiées à faible déformation (<1%). Les comparaisons montrent que les simulations numériques surestiment la contrainte macroscopique appliquée. L’écart relatif décroît avec le type d’éprouvette, quand on se rapproche d’une sollicitation uniaxiale : 10% pour le type 8, 8.7%

pour le type 9, 7.4% pour le type 10 et 5.63% pour le type 11. Ces écarts non négligeables devraient être pris en compte, notamment pour l’estimation des contraintes locales.

III.3.1.2Essais de fluage

Des essais de fluage à faible contrainte et forte concentration en iode (§ IV.2.2) ont également été réalisés sur éprouvettes lisses et entaillées pour étendre l’étude des domaines de fissuration. La durée limite de ces essais est de 48 h et ils ont bien souvent mené à des ruptures. Même si les contraintes appliquées sont telles que le matériau reste élastique dans la plupart des cas, des calculs par éléments finis de ces essais se sont avérés nécessaires car différents lieux d’amorçage ont été observés. Au lieu de ne considérer que deux points pour l’évolution des champs mécaniques (centre et bord du ligament), jusqu’à sept points par type d’éprouvette sont utilisés pour le dépouillement, sur l’axe de symétrie des éprouvettes (milieu de la largeur), à différentes distances du ligament. Il sera montré que les faciès de rupture de ces éprouvettes ne permettent pas de définir la position du lieu d’amorçage dans la largeur de l’éprouvette. On ne connaît alors que la distance entre le lieu d’amorçage et le ligament. Des ruptures ont été observées jusqu’à 4.5 mm du ligament, soit bien au-delà des entailles, dans la partie droite de l’éprouvette. Pour ces essais, on extrait les mêmes variables mécaniques que précédemment.

Les contraintes nominales appliquées lors de ces essais de fluage (définies comme la force de maintien divisée par la section minimale entre les entailles) sont comprises entre 250 et 300 MPa pour le type 8, entre 300 et 400 MPa pour les types 9 et 10 et entre 100 et 350 MPa pour le type 11. Pour les éprouvettes lisses, les contraintes sont comprises entre 90 et 150 MPa.

L’utilisation du modèle permet de savoir dans quel cas la plasticité est activée et son lieu d’apparition. On la considérera activée, ou significative, quand la déformation plastique équivalente εpeq dépasse 0.1%. Dans la partie droite, où la section est deux fois plus

importante, les contraintes ne sont pas suffisantes pour plastifier. Aux contraintes appliquées, la plasticité n’apparait pas dans les éprouvettes de type 8. Pour les trois autres types, la plasticité est présente à 350 MPa et absente à 300 MPa.

L’analyse des résultats de fissuration (temps à rupture et localisation) combinée aux calculs par éléments finis sera faite au chapitre suivant.

Figure III.16 : Maillage utilisé pour la simulation de la flexion 4 points, configuration de référence (noir) et déformée pour la masse n°1 (472 g, rouge).

III.3 Calcul des champs mécaniques lors des essais de CSC-I de l’étude 99

Figure III.17 : Contraintes et déformation plastique équivalente c alculées à la fin de l’essai, au centre des éprouvettes de flexion, pour les différentes masses c onsidérées (gauc he). Ecartement de 32 mm entre les appuis. Evolution de la déf ormation plastique au centre de l’éprouvette pour les masses 1, 2 et 3 et vitesses moyennes après mise en charge (droite).