Chapitre II Caractérisation des matériaux composites compte pour le dimensionnement des structures, à travers des coefficients d’abattement des
II. 4.4 2 Influence de la Séquence d’empilement
La séquence d’empilement modifie la forme et la taille de la zone endommagée pour un impact à énergie équivalente. De plus, la séquence d’empilement influe sur la rigidité de la plaque avant et après impact [HIT05]. Les angles d’orientation des plis et le changement de la
séquence d’empilement modifient le comportement à l’impact des composites [FUO98].
II.4.4.3 Influence de l’épaisseur de la plaque
Des études montrent qu’un impact de faible énergie influe grandement sur la diminution de la rigidité en flexion pour les stratifiés fins [TAI99, CAP99]. Les composites les plus épais sont plus
fiables en fatigue.
II.4.4.4 Influence des propriétés des fibres et des résines
Des essais de Compression après Impact ont montré que la dureté de la résine agit sur le comportement à l’impact. L’utilisation des résines thermodurcissables avec des particules thermoplastiques intégrées ou avec des films thermoplastiques aux interfaces confère un meilleur comportement à l’impact [CAP09, DUA99, KIS04].
II.5 Endommagement par fatigue des composites
L’endommagement par fatigue se produit sous des contraintes bien inférieures à la limite élastique (0,3 à 0,4 de la contrainte ultime σUTS). Dans les composites, l'endommagement résulte de l'apparition d'un ou de plusieurs mécanismes. La dégradation est liée à l’évolution progressive des propriétés initiales. Il est alors indispensable de comprendre les mécanismes de rupture initiaux puis à leur progression en fonction du temps.
La durée de vie d’un composite se quantifie par le nombre de cycles à la rupture Nf. La figure II .13 présente le diagramme contrainte-nombre de cycles dite courbe de Wöhler [RABTE].
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Figure II. 13 : Courbe schématique de la fatigue et définition des domaines d’endurance [RABTE].
La limite de fatigue ou limite d’endurance (σD) correspond à la contrainte pour laquelle la rupture devient après un nombre de cycles supérieur à la durée de vie envisagée pour la pièce.
II.5.1 Evolution du module apparent en fatigue
L’endommagement des composites sollicités en fatigue se caractérise notamment par une perte de module apparent. La figure II.14 présente l’évolution du module en fonction du nombre de cycles pour des tissus de verre sollicités en traction [FUJ94, DEY98, PAN01]. La courbe est constituée de trois phases distinctes. La première phase est brève et correspond à une diminution rapide du module. Cette chute rapide de module est due à l’initiation et l’accumulation de fissures dans la matrice et dans les mèches orientées transversalement par rapport à la sollicitation de traction. C’est un comportement similaire à celui habituellement observé dans les matériaux orthotropes. La deuxième phase est assez longue où le module chute très lentement. Cette diminution graduelle du module est attribuée aux méta-délaminages. A partir d’observations expérimentales, il est mis en évidence que le pas d’ondulation du tissu associé au type d’armure, contribue aux méta-délaminages.
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Dans la troisième phase, il y a arrachement des fibres et délaminages avant la rupture finale des fibres. Le module critique de fatigue Efc correspond au module mesuré juste au début de la troisième phase (Fig. II.15).
Figure II. 15 :.Evolution du module en fatigue pour différents niveaux de chargement [Fujii93]
La diminution du module est liée au niveau de sollicitation du cycle de fatigue. Plus le module est élevé plus la cinétique d’endommagement est accélérée. La valeur asymptotique du module en fatigue semble indépendante du niveau de chargement du stratifié. L’endommagement matriciel des tissus sature au bout d’un certain temps avant que n’intervienne la rupture des fibres.
Des travaux sur des stratifiés [0]8 tissés à base de fibres de carbone et de résine époxy sollicités en fatigue, le confirment également [DIN95] (Fig. II.16).
Figure II. 16 : Evolution du module en fatigue selon différents niveaux de chargement [DIN95]
La figure I1.17 montre les résultats des essais de fatigue (traction-compression) pour un stratifié de tissu de verre [0/90]n et de matrice phénolique et polyester. On note que la durée de vie du stratifié (tissus verre) orienté est faible (~103cycles) si la contrainte maximale de fatigue est égale
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Figure II.17 : Evolution du module en fatigue selon différents niveaux de chargement (a) et matrices (b) [ECH95]
Les trois phases d’évolution du module en fatigue sont facilement identifiables. L’asymptote se situe vers 30% du niveau de dégradation du module initial quel que soit le niveau de contrainte maximum. Il semble que la diminution du module en fatigue est due à la dégradation de la résine alors que la durée de vie du matériau est fonction du comportement en fatigue des fibres.
II.5.2 Paramètres d’endommagement
Le comportement des composites sous sollicitations d’impact est. De nombreux paramètres entrent en jeu et influencent leur réponse à l’impact. Ces derniers peuvent être liés au matériau, au nombre des plis et leurs orientations. La température, le taux d’humidité, l’angle d’impact, la fréquence d’impact et la vitesse d’impact sont aussi des facteurs important [TECHN].
Les énergies de rupture des composites à matrice polyester renforcés de sisal, d’ananas, de noix de coco et d’abaca/ (50 vol % de fibres) sont déterminées par l’essai de résilience Charpy
[PAV91]. A l’exception du composite noix de coco/polyester, l’énergie de rupture croit en fonction
de la ténacité de la fibre. On note que les composites renforcés par des fibres ayant un grand angle d’hélice sont plus tenaces.
Dans le cas de composite abaca/époxyde, Tobias rapporte que le taux et la longueur des fibres accroissent la ténacité [TOB 93]. Une forte adhésion fibre-matrice peut retarder l’endommagement et ne s’initie qu’à des efforts plus importants. Il est également observé que le facteur de résilience du composite jute/PP traité avec le MAH-PP est relativement plus faible que celui du non traité (0,52 /0,76 J). L’absence d’agent de couplage fait qu’une partie de l’énergie du choc soit consommée par le frottement et l’extraction des fibres.