Essais de traction

Le comportement mécanique des mousses PU est tout d’abord étudié en traction uniaxiale (vitesse de déformation quasi constante, ˙ε = dε/dt = 10−4s−1) à tempéra-ture ambiante. Les conditions d’essais sont décrites dans la section 2.4.1.

La figure 3.1 représente les courbes contrainte/déformation pour des échantillons de densité relative ρ∗/ρsallant de 0,3 à 0,84. Chaque courbe correspond à un essai de traction représentatif sur un échantillon de densité relative précise. Indépendamment de la densité, nous observons un comportement mécanique élastique aux petites dé-formations, conformément à la loi de Hooke, σ = E · ε. Cette déformation élastique apparaît à l’instant où la contrainte est appliquée (la déformation est indépendante du temps). A la sortie de cette zone, la contrainte n’est plus proportionnelle à la déforma-tion et une déformadéforma-tion anélastique et plastique intervient (par abus de langage, nous appellerons cette déformation, déformation plastique). Ensuite, la contrainte néces-saire pour poursuivre la déformation augmente jusqu’à un maximum : la contrainte au plateau σplou contrainte d’effondrement plastique. Étant donné que nous étudions la contrainte nominale et non vraie, celle-ci peut parfois diminuer jusqu’au point de rupture (jusqu’à une certaine déformation : εr).

3.1. Observations préliminaires du comportement mécanique 55 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0 5 10 15 20 25 30 Déformation ε Contrainte σ (MPa) ρ^*/ρ s=0.84 ρ^*/ρ s=0.38 0.58 0.66 0.80 0.30

Fig.3.1: Courbes contrainte/déformation pour des essais de traction sur mousses PU de densité relative de 0,3 à 0,84 à température ambiante.

Les valeurs du module d’Young E∗, de la limite d’élasticité σ∗

e, de la contrainte au plateau σ∗

pl et de la déformation à rupture εr sont résumées dans le tableau 3.1. Les valeurs répertoriées sont des moyennes sur les différents essais pour une den-sité donnée. La limite d’élasticité de chaque mousse correspond à la contrainte à partir de laquelle le matériau s’écarte de la loi de Hooke. Toutefois, cette limite n’étant pas très nette dans tous les cas, il a été défini une limite d’élasticité conven-tionnelle en métallurgie, σ∗

e : c’est la valeur de l’effort unitaire pour lequel l’allon-gement permanent résiduel, après maintien de l’éprouvette sous charge pendant 10 secondes, est égal à 0,2 %. Nous supposons que la non linéarité observée sur la courbe contrainte/déformation est due au comportement anélastique et non pas à un com-portement élastique non linéaire. Afin d’obtenir cette limite d’élasticité, nous traçons, sur les graphes contrainte/déformation, une droite parallèle à la droite σ = E∗

· ε, dont l’abscisse à l’origine est 0,002.

ρ∗/ρs E∗ (MPa) σ∗ e (MPa) σ∗ pl (MPa) εr 0,3 164 ±13 2,6 ±0,1 3,7 ±0,1 0,055 ±0,018 0,38 252 ±8 4,4 ±0,1 5,7 ±0,5 0,054 ±0,015 0,58 496 ±33 7,8 ±0,7 10,0 ±1,7 0,036 ±0,012 0,66 694 ±36 12,2 ±1,8 16,2 ±1,7 0,048 ±0,015 0,8 871 ±16 15 ±1 23 ±2 0,05 ±0,012 0,84 1060 ±17 16,3 ±2,3 23,4 ±6,8 0,043 ±0,024

Tab. 3.1: Caractéristiques mécaniques pour différentes densités de mousses PU sol-licitées en traction à température ambiante (vitesse de déformation ˙ε = 10−4s−1).

Notons que les valeurs expérimentales du module d’Young E∗, pour les différentes densités, sont obtenues directement à partir du déplacement de la traverse, mais sans utilisation d’extensiomètre. Ces valeurs ne tiennent pas compte de la déformation de la machine et sont sûrement légèrement plus faibles que les valeurs réelles. La dispersion des données correspond aux écarts types sur les différentes valeurs obtenues pour une densité donnée. Pour chaque gamme de densité, les variations des valeurs peuvent être assez importantes, surtout pour la contrainte maximale et l’allongement à rupture. Ceci nous suggère que les échantillons provenant d’une même mousse peuvent avoir des distributions d’hétérogénéités assez différentes.

Nous allons désormais étudier ces caractéristiques mécaniques par analogie avec le modèle présenté par Gibson et Ashby [65]. Ceci n’est effectué qu’à tire de comparaison car ce modèle est décrit pour des mousses très peu denses. En effet, la structure des mousses que nous étudions est différente de celle décrite par le modèle où la structure de la mousse est représentée par un assemblage de cellules constituées par des parois et des arêtes. Hors, dans notre cas, les mousses de hautes densités ne peuvent pas vraiment être vu sous cet angle car il n’existe pas à proprement parler d’arêtes. a) Domaine linéaire

Nous observons une évolution croissante du module élastique E∗ en fonction de la densité de la mousse. Cette évolution peut être étudiée en considérant le modèle établi par Gibson et Ashby [65] (équation 2.1) pour les mousses à cellules fermées. Ce modèle, rappelons-le, attribue le terme au carré de la densité à la flexion des arêtes et le terme linéaire à l’étirement des parois (cf paragraphe 2.1.1). La faible pression de gaz initiale qui correspond, dans notre cas, à la pression atmosphérique (0,1 MPa), nous permet de négliger le troisième terme de l’expression 2.1 qui devient :

E∗ Es ≈ φ² ρ∗ ρs !2 + (1 − φ)^ρ ∗ ρs (3.1) avec Es le module élastique du polyuréthane et φ la fraction de polymère contenue dans les arêtes par rapport aux parois. Étant donné que nous ne connaissons pas la variation de φ en fonction de la densité relative, nous considérons φ constant.

La variation expérimentale de E∗ en fonction de ρ∗/ρs est décrite par la fonction polynomiale du second degré suivante :

E∗= 1220(ρ∗/ρs)2+ 186(ρ∗/ρs) (3.2) A partir de cette équation, nous pouvons déterminer le module élastique du polyuré-thane et φ ; les valeurs obtenues sont Es = 1570 MPa et φ = 0, 88. Les valeurs de φ couramment utilisées pour les mousses polyuréthane sont comprises entre 0,6 et 0,9 [62, 65], nos résultats sont donc bien en accord. Rappelons que les valeurs de E∗ sont obtenues sans correction de la déformation de la machine. Cependant, ceci ne change pas l’évolution de ce module en fonction de la densité.

3.1. Observations préliminaires du comportement mécanique 57

La figure 3.2 montre l’évolution du rapport E∗/E_sen fonction de la densité relative des mousses de polyuréthane à température ambiante. Cette évolution est décrite par la fonction suivante : E∗ E_s ^{≈ 0, 77} ρ∗ ρ_s !2 + 0, 12^ρ ∗ ρ_s ^(3.3) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 E*/E s Densité relative (ρ*/ρ_s)

Fig. 3.2: Module d’Young relatif en fonction de la densité relative des mousses PU, à température ambiante lors d’essais de traction. La courbe continue représente la fonction d’ajustement.

Remarque : nous aurions pu penser que le modèle basé sur une structure tétra-kaidécaèdrique [66] était plus proche des mousses que nous étudions. Cependant, les valeurs très différentes des deux coefficients de l’équation 3.3 montrent que l’équation 2.4 ne peut pas décrire correctement la mousse PU.

b) Domaine non linéaire

Pour la prédiction du domaine non linéaire des mousses, Gibson et Ashby ont relié la contrainte d’effondrement plastique à la contrainte d’écoulement du matériau constitutif (équation 2.5). Si la pression du gaz est négligée nous obtenons :

σ∗ pl σ_ys ^{≈ 0, 3 φ} ρ∗ ρ_s !3/2 + 0, 4(1 − φ)^ρ ∗ ρ_s ^(3.4)

Cependant, pour les essais de traction effectués sur les mousses PU, la contrainte σ∗

pl en fonction de la densité relative montre une évolution du même type que le mo-dule d’Young et non de la forme de l’équation 3.4 (la différence est essentiellement l’exposant qui est de 3/2 dans l’équation 3.4 et de 2 dans l’équation 3.2). De surcroît,

en traçant le module d’Young E∗, la limite d’élasticité σ∗

e et la contrainte σ∗

pl, norma-lisés à leur maximum, en fonction de la densité relative (figure 3.3), nous remarquons une évolution similaire.

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Densité relative ρ*/ρ s E */E * max , σ ^e /σ ^e max , σ * ^pl /σ * ^pl max E^*/E^* max σ e/σ e max σ*_pl/σ*_{pl max}

Fig. 3.3: Limite d’élasticité des mousses normalisée à la contrainte d’écoulement du PU massif σ∗

pl/σys en fonction de la densité relative ρ∗/ρs pour des essais de traction sur mousse PU à température ambiante.

Dans le domaine non linéaire, le comportement des mousses PU ne peut être décrit par le modèle de Gibson et Ashby pour les mousses à cellules fermées en tension. Comme nous l’avons déjà mentionné, il semble que ce modèle ne soit pas très bien adapté aux mousses de fortes densités.

Par ailleurs, nous ne constatons pas de corrélation évidente entre la déformation à rupture εr et la densité relative des mousses (figure 3.4). Il se peut que la défor-mation finale soit plutôt corrélée à la distribution des pores effective (désordre) : un échantillon dont la distribution des hétérogénéités est plus large (présence d’un pore plus gros, par exemple) sera susceptible de rompre plus rapidement. Cet aspect sera discuté par la suite.