C.III.2.1. Apparition et localisation de l’endommagement... 153 C.III.2.2. Nature de l’amorçage ... 154 C.III.3. Propagation des fissures sous sollicitation de fatigue... 158 C.III.3.1. Observations des profils de fissure... 158 C.III.3.2. Modes d’endommagement ... 160 C.III.3.3. Mécanisme de propagation de fissure ... 163 C.III.4. Orientations des fissures... 165 C.III.5. Conclusion... 166
C.III.1.
Dégradations chimiques et thermiques
En fatigue, les phénomènes menant à la dégradation du caoutchouc naturel ne sont pas seulement mécaniques. D’autres mécanismes d’origine thermique ou chimique peuvent également être source d’endommagement (cf. A.I.7). Dans ce paragraphe, nous tenterons de détailler d’abord les mécanismes d’origine thermique ou chimique pour se concentrer par la suite sur les mécanismes de fissuration d’origine mécaniques constituant l’intérêt principal de notre étude.
A partir de températures élevées (de l’ordre de 90-110°C), le comportement de l’élastomère est modifié. Sous la combinaison de l’oxygène et de la chaleur, il se produit une dégradation du réseau moléculaire par un processus autocatalytique conduisant soit à des scissions des chaînes ou à la rupture des liaisons pontales, soit à un durcissement par réticulation (du soufre non consommé). Ce durcissement est mauvais pour un élastomère stabilisé pour une application de fatigue. Le caoutchouc est donc moins résistant à la rupture, l’énergie de déchirement diminue avec l’augmentation de la température. Dans ce sens, [Agarwal2005] montre qu’avec l’augmentation de la température, la surface de rupture peut ne pas présenter de rugosité, signe d’une propagation de fissure rapide.
Le calcul effectué par [André1998] sur l’élévation de la température au sein d’un diabolo de caoutchouc naturel chargé de noirs de carbone sollicité en fatigue à une fréquence de 1 Hz, prévoit une augmentation de l’ordre de 7,4 °C entre le cœur et la peau de l’éprouvette. Nous nous basons sur les hypothèses de ce calcul pour la mesure de l’échauffement des diabolo en caoutchouc naturel chargé de silice lors de la sollicitation de fatigue (cf. Annexe An-VI). La valeur de la conductivité thermique λ pour les matériaux de l’étude n’existant pas dans la littérature, nous l’avons mesurée grâce à un dispositif disponible au centre des matériaux (cf. Annexe An-VI). Notons que la conductivité thermique est mesurée à une température de 50°C pour s’approcher de l’état d’échauffement impliqué par une sollicitation de fatigue. La conductivité thermique dépend de la température, de la pression, de l’orientation des chaînes et d’autres facteurs… En général, les polymères cristallins possèdent des conductivités thermiques plus élevées que les polymères amorphes en raison de l’augmentation de la densité et des orientations moléculaires [Mark1978]. Ceci pourrait expliquer par ailleurs pourquoi le caoutchouc naturel génère moins d’auto-échauffement que le caoutchouc synthétique SBR.
La mesure donne λ = 0,326 W.K-1.m-1 pour BI , λ = 0,329 W.K-1.m-1 pour BII. Cette procédure de mesure de la conductivité thermique est fiabilisée en comparant la conductivité thermique du caoutchouc naturel (λ = 0,153 W.K-1.m-1, valeur issue de la littérature [Brandrup1989]) avec la conductivité thermique pour le caoutchouc naturel NRPG (λ = 0,149 W.K-1.m-1, mesurée à partir de la procédure décrite cf. Annexe An-VI).
Nous pouvons constater que d’une part, la présence de la silice dans le caoutchouc naturel augmente sa conductivité thermique et d’autre part, les conductivités thermiques de matériaux
BI et BII sont très proches, elles peuvent être considérées identiques en prenant en compte les
erreurs de mesure. La conductivité ne semble pas dépendre des paramètres liés à la dispersion de la silice dans le caoutchouc naturel et doit être seulement affectée par la quantité (phr) incorporée. Et pour conclure, étant donné le faible échauffement entre le cœur et la peau (de
l’ordre de 5°C pour BI et de 13°C pour BII) estimé par le calcul (cf. Annexe An-VI), la modélisation du comportement ne sera pas couplée aux phénomènes thermiques.
Du point de vue chimique, la dégradation par clivage [Lake1964] [Lake1995] des liaisons doubles (C=C) ou par oxydation [Gent1962] des liaisons non saturées (C-H) peut être très nocive pour le caoutchouc naturel. Par l’introduction de l’agent de protection 6PPD (cf. A.III.2) dans les mélanges élaborés, leur action est minimisée. Par conséquent, les effets chimiques restent au second plan lorsque les sollicitations mécaniques sont importantes engendrant des cinétiques de propagation de fissures élevées.
En revanche, une autre forme de dégradation est constatée dans le caoutchouc naturel chargé de silice. Malgré l’emploi de l’agent de protection 6PPD, des essais préliminaires de fatigue menées sur des lanières sollicitées en traction cyclique, montrent que les premières fissures s’amorcent au niveau de la face la plus exposée à la lumière. Si son rôle d’agent de protection contre les attaques de l’oxygène et l’ozone est rempli, l’agent 6PPD ne protège pas contre les rayons UV de la lumière. Dans le cas des mélanges clairs chargés de silice (de couleur verte), ce type d’endommagement est à craindre particulièrement, contrairement aux mélanges chargés de noirs de carbone davantage protégés car de couleur noire. Dans le cas de nos mélanges, cette forme d’endommagement est à éviter pour se focaliser uniquement sur l’effet de la sollicitation mécanique sur l’amorçage des fissures. Pour cette raison, la totalité des essais de fatigue est réalisée sous protection de la lumière en utilisant un voile. Notons que pour son application dans les pneumatiques (pneu vert), l’emploi de la silice est toujours accompagné de l’ajout de noir de carbone pour une raison de couleur du produit fini mais également pour atténuer l’influence des rayons UV.