Le choix du critère de durée de vie est important. Dans le cadre de cette étude, le critère considère les fissures en surface qui ont atteint la taille de 1 mm. Il est visuel et basé uniquement sur les fissures apparaissant à la périphérie de l’éprouvette. Il est donc légitime, avant de continuer, de valider le choix de ce critère. Pour cela, regardons l’état de surface d’un diabolo sollicité en fatigue (en traction-compression) après rupture totale de l’éprouvette. La Figure C.43 montre une cartographie composée d’images, de la surface rompue, grossies grâce à un macroscope.
Figure C.43 – Faciès de rupture d’un diabolo du matériau BII sollicité en traction-compression entre 2,5 et 20 mm. Forte rugosité du faciès et présence de cavitations internes dues à la décohésion des
Le faciès de rupture comporte plusieurs sites d’amorçage de fissures dus à la présence d’inclusions sub-surfaciques. Le faciès de rupture révèle par ailleurs, la présence de sites de cavitation par décohésion autour d’inclusions internes. La nature des inclusions sera présentée (cf. Figure C.48). Ces inclusions sont dispersées aléatoirement dans les mélanges.
La Figure C.43 est une projection sur le plan d’observation de la surface de diabolo totalement rompue sous un autre angle. En effet, la surface de rupture n’est pas plane et présente une forte rugosité Figure C.44. Les sites d’amorçage ne sont pas co-planaires.
Figure C.44 – Eprouvette diabolo après rupture totale en fatigue – Forte rugosité de surface
Pour visualiser les fissures, nous utilisons un dispositif cylindrique qui permet de prélever une carotte entourant la fissure, ensuite la découpe par le cutter permet la préparation des faciès de rupture pour l’observation. Ce travail de découpe est minutieux pour éviter d’altérer la surface de rupture.
L’observation au MEB des zones d’amorçage permet de localiser le défaut à l’origine de la fissuration. L’aspect des faciès de rupture des deux matériaux est semblable à rapport de charge négatif, nul ou positif. Dans tous les cas, une inclusion sub-surfacique - sous la peau - est systématiquement à l’origine de la fissure.
La Figure C.45 montre les deux faciès « en regard » de fissure principale s’amorçant dans le matériau BI (Bidt3, cf. Tab C.1) sollicité entre 0 et 20 mm. L’amorçage de la fissure se fait par décohésion de l’inclusion de la matrice, ensuite des stries ellipsoïdales plus ou moins nettes marquent la propagation de la fissure dans le caoutchouc naturel chargé de silice.
Figure C.45 – Faciès de rupture « en regard » de la première fissure qui atteint 1 mm dans une éprouvette diabolo du matériau BI sollicitée en traction cyclique entre 0 et 20 mm.
Dans le cas des essais de torsion menés, les observations microscopiques Figure C.46 effectuées sur les faciès du rupture montrent également un amorçage dû à une inclusion sub-surfacique. Les stries de propagation sont également présentes mais sont moins prononcées.
Figure C.46 – Faciès de rupture en regard de la première fissure qui atteint 1 mm dans une éprouvette diabolo du matériau BI sollicitée en torsion cyclique entre 0 et 150°
Amorçage par décohésion d’une inclusion provenant du caoutchouc naturel
Les clichés présentés Figure C.47 montrent par ailleurs pour un amorçage en torsion que lorsque deux fissures sont proches, l’une de l’autre mais situées dans des plans différents, elles se rejoignent dans un même plan pour ne former qu’une seule fissure.
Figure C.47 – Coalescence de deux fissures à l’origine du changement de plan de propagation sous sollicitation de torsion
Les inclusions responsables de l’amorçage des fissures en fatigue sont de la même nature que celles déjà détectées dans les mélanges (cf.A.IV.4.3.b).
A titre d’exemple, nous présentons l’analyse effectuée sur l’inclusion responsable de l’amorçage de fissure dans le diabolo Bidt3 (cf. Figure C.44). D’abord, l’inclusion est soigneusement prélevée ensuite elle est analysée à la microsonde de Castaing par spectrométrie à longueur d’onde. L’information obtenue reste qualitative car l’état de surface
de l’inclusion n’est pas plan. Notons également que les concentrations relatives au carbone sont surestimées puisque l’inclusion est métallisée en carbone pour l’analyse. La Figure C.48 montre les résultats de l’analyse. Ils permettent de retrouver les teneurs en éléments (K, Ca, Cl) semblables à celles détectées lors de l’étude de caractérisation. Les inclusions provenant du caoutchouc naturel (cf. A.IV.4.3.c), sont ainsi responsables de l’amorçage des fissures en fatigue.
Figure C.48 – Cartographies de concentration relatives en éléments C, SI, Zn, S, O, Cl, Ca, K. Inclusion d’origine minérale provenant du caoutchouc naturel
Ce résultat n’est pas surprenant puisque aucun traitement de surface ne leur est appliqué pour adhérer à l’élastomère. De plus ces inclusions sont de taille inacceptable, et enfin, leur morphologie possède des pointes acérées très nocives favorisant l’apparition des fissures. En effet, dès la première traction, une décohésion importante est enregistrée autour de ces inclusions, (cf. B.III.5.2.b). L’endommagement est visible par la suite sur la peau du diabolo quand la fissure débouche vers l’extérieur après propagation dans les mélanges réticulés sous l’action des efforts internes.
Enfin, l’amorçage de la première fissure qui atteint 1 mm a lieu au niveau du congé du diabolo. Il est dû à la présence d’une inclusion sub-surfacique. Les inclusions sont de taille pouvant atteindre 200 µm. Ainsi, ce qu’on appelle amorçage de fissure est en réalité une propagation de la fissure jusqu’à atteindre 1 mm. Cette propagation a lieu dans le caoutchouc naturel chargé de silice.
Les éprouvettes diabolo étant massives, nous ne pouvons pas considérer un critère basé sur une rupture totale de l’éprouvette. Et ce car,
- les temps d’essais seraient trop longs ;
- lors des essais de torsion, les conditions de torsion pure seraient perdues si la fissure se propage à l’intérieur de l’éprouvette. L’axe de rotation se verrait modifié.
Dans ce sens, pour comparer les matériaux BI et BII en présence d’inclusions, le critère choisi s’avère particulièrement pertinent.