Interprétation et discussion

Ces observationsnous permettentdedire quelacavitationpeut apparaîtredansl'huile de silicone G20M. Le régime observé après la digitationsemble donc bien être un régime de cavitation.

Cependant, commenous l'avons déjàvu dans lerégimede digitation,lacroissance des doigts d'air est ralentieprobablement à cause de laviscosité importantede cette huile de silicones. Dansces conditions, l'avancéedu ménisque peut sure à relaxer lescontraintes dans l'échantillon avant que les doigts ne puissent percer les cavités. La surface des ca-vités va donc décroître au cours de l'expérience jusqu'à presque disparaître, empêchant la pénétration d'air. Une évolution similaire des cavités a déjà été observée sur l'huile de silicones48v1Mauvoisinageimmédiatde lavitesse critique

Vc

.Cependant dansnotrecas, la viscosité importante de l'huileG20M permet de voircette évolution sur une gamme de vitesses plus importante.

L'épaulement observé sur les courbes de force est alors dû à la présence de cavités vides dans l'échantillon. De plus, le redressement de cet épaulement avec l'augmentation de la vitesse de traction vient du fait que la surface des cavités augmenteavec la vitesse. Cependant,ladécroissancedelasurfacedescavitésdurantlatractionetl'écoulementinduit vont entraîner une décroissance de la force, sans chute de force s'il n'y a pas pénétration d'air.

La gure 7.10 présente un schéma qui illustre ce mécanisme de rupture et donne une explicationpossiblede l'allurede l'échantillonprésenté sur la photo (a)de la gure 7.8.

Lorsque la vitesse de traction augmente, l'avancée du ménisque et des doigts d'air devient plus rapide que la diminution de surface des cavités. Il pourra alors y avoir une pénétrationd'airdanslescavitésentraînantlaprésenced'unechutedeforcesurlescourbes de force(voirla gure 7.3pour lesvitesses supérieures ouégales à

V = 0, 05

mm/s)ainsi quelatracevisibledescavitéssurlesphotosdeséchantillons(voirgure7.8).Lagure7.11 présente un schéma qui illustre ce mécanisme.

Ainsi,plus lavitesse de tractionseragrande plusle ménisqueetlesdoigtsd'air rattra-peront rapidementles cavités. La surface des cavités sera donc de plus en plus grande au moment de lapénétration d'air ce qui amènera une chute de forcede plus en plus impor-tante.

Enn, une brille centrale est visible dans les deux cas après la rupture que ce soit après la décroissance des cavités ou après lapénétration d'air. On peut remarquer sur les courbes de forces (gure7.3) qu'avantlarupture laforcedécroîtselon une pente de loide puissance en

h−2

(a) (b) (c)

huile de silicones

G20M

cavités

Fig. 7.10  Schémas présentant la rupture dans le régime intermédiaire sans pénétration d'air. Tout d'abord les cavités croissent macroscopiquement lorsque le seuil de cavitation estfranchidansl'échantillon(schéma(a)).Ensuite,commelatractioninduitunécoulement radial et convergent, alors le ménisque avance vers le centre de l'échantillontandis que la tailledes cavités diminue (schéma (b)). Enn, l'échantillon se rompt dans son volume au niveau de la brillecentraletandis quelescavités nonpercéesetde petitetaillesesituent aupied de labrille (schéma (c)). Nousprécisons cependant qu'il s'agit d'unedescription schématique. Il est par exemple probable que des cavitésnon percées setrouvent aussi au niveau de l'indenteur.

(a) (b) (c)

huile de silicones

G20M

cavités percées

Fig. 7.11  Schémas présentant la rupture dans le régime intermédiaire avec pénétration d'air. Tout d'abord les cavités croissent macroscopiquement lorsque le seuil de cavitation estfranchidansl'échantillon(schéma(a)).Ensuite,latractioninduitunécoulementradial etconvergent :leménisque avance vers lecentre de l'échantillonsusammentrapidement pour atteindrelescavitésquiserétractent(schéma (b)).Enn,l'échantillonseromptdans son volume au niveau de la brille centrale une fois les cavités percées (schéma (c)). Une fois encore, il s'agit d'une descriptionschématique.

La gure 7.12 présente la force normalisée par la vitesse de traction et la compare à la force induitepar l'écoulement élongationnel décrit durant l'étude de Sylwia Poivet par l'équationsuivante :

F (t) = ^4ηΩV

Fig.7.12  Courbesde forces normalisées par lavitesse de traction

V

comparéeà laforce visqueuseinduiteparunécoulementvisqueuxdansdesmursliquides,tracéesansparamètre ajustable (

Ω = 16, 4.10−6 m3

,

η = 20000

Pa.s). Les expériences ont été réalisées sur le pégosimètre commercial Zwick avec une épaisseur initiale

h0 = 200 µ

m et les vitesses de traction:

V = 0, 03

mm/s(

H

),

V = 0, 04

mm/s(



),

V = 0, 05

mm/s(



),

V = 0, 07

mm/s (

◦

)et

V = 0, 1

mm/s (

N

).

Ladécoissancedelaforcesuitbienuneloidepuissanceen

h−2

maisl'amplitudemesurée de la force est plus faible que celle prédite d'un facteur environ

2

. Cette diérence peut être due à une géométrie diérente pour les deux problèmes : Il ne s'agit, en eet, pas de murs liquidesmais d'une colonne liquide située aucentre de l'échantillon.

7.4.3 Conclusion

Nous avons donc mis en évidence la transition digitation - cavitation sur l'huile de siliconeG20Mobservée parSylwia Poivetsur deshuilessiliconesde viscositésplus faibles. Cette transitiona lieu pour une vitesse critique

Vc = 0, 008

mm/s pour une épaisseur de

h0 = 200 µ

m sur le pégosimètre Zwick. Cette vitesse critique dépend du connement commelemontrentlesgures7.5et7.6.Elleest ainsiinférieureà

Vc = 0, 001

mm/slorsque

h₀ = 100 µ

m et comprise entre

V_c = 0, 1

mm/s et

V_c = 1

mm/s lorsque

h₀ = 400 µ

m. De plus, cette vitesse critique est bien inférieure à celles déterminées pour les huiles de siliconesde viscosité moins grande.

En eet, dans notre cas d'une grandeviscosité, la croissance des doigts semble ralentie ce qui retardeou empêche lapénétrationd'air.

En eet, les doigts étant très peu développés, les modèles théoriques de C. Gay dans lecadre de lathèse de Sylwia Poivetsur des liquidesnewtoniens etde Tirumkudulu et al. (Tirumkudulu, 2003)pour des matériaux similiaires,prédisentque l'avancée du ménisque va entraîner une diminution de l'aire des cavités dans l'échantillonet une décroissance de laforce.

Il faudra donc une vitesse de traction susamment importante pour que l'avancée du ménisque et des doigts d'air soit plus rapide que ladécroissance de lataille des cavités et ainsi entraîner lapénétration d'air.

Enn la rupture induite par la cavitation est cohésive.La cavitation ne peut donc pas expliquer les résultats observés aux vitesses de traction plus importantes que nous allons étudier maintenant.

7.5 Le régime rapide

Nous allons, dans ce paragraphe,nous intéresser audernier régime observé : le régime rapide.Nousrappelons queladécroissancede laforceaprèslepic initialprésente, dans ce régime, un plateau de force dont la longueur diminue avec l'augmentation de la vitesse de traction. De plus, la rupture évolue d'une rupture cohésive - adhésive à une rupture adhésiveavec l'augmentationde lavitesse de traction.

7.5.1 Identication du mécanisme de rupture

Lagure7.13 présentelaphotod'un échantillonprisesurlaplaque supportjusteaprès larupture.L'expérienceaétéréaliséesurlepégosimètreZwickàlavitesse

V = 0, 15

mm/s pour une épaisseur

h₀ = 200 µ

m (voir lagure 7.4).

On remarque, en périphérie de l'échantillon, un lm d'huile de silicones. La rupture dans cette zone annulaire est donc cohésive. Inversement, au centre de l'échantillon, on peut observerunezone circulairedanslaquelle iln'yapas de traced'huilede silicones.La rupture est alors adhésive.

Ces observations nous permettent donc de dire qu'un nouveau mécanisme de rupture

est apparu durant la traction : une fracture interfaciale entre l'échantillon et la plaque support.Deplus,cettefractureayantlieuaucentrede l'échantillon,elleseraunefracture interfaciale interne.

Ce mécanisme n'a jamaisété observé sur les huiles de viscosité moins grande étudiées jusqu'àmaintenantdansl'équipe.Desfracturesinterfacialesexternesontdéjàétéobservées parOndarçuhu(Ondarçuhu,1997)surune huilede siliconesdemassecomparableàl'huile G20M

Mw = 497000

mais l'échantillon était alors beaucoup moins conné

h0 = 1, 4

mm et en géométrie JKR (indenteur sphérique). La mise en évidencede fractures interfaciales

Fig. 7.13  Photo d'un échantillon prise sur la plaque support juste après la rupture. L'expérienceaété réaliséesur l'huiledesiliconesG20M,surlepégosimètreZwickpourune épaisseur

h0 = 200 µ

met une vitesse de traction

V = 0, 15

mm/s.

internes dansun échantillonde liquide viscoélastiqueconné soustractionn'avait,à notre connaissance, jamais été observée jusqu'ici.

Nous allons maintenant chercher à étudier l'apparition et la propagation de la frac-ture interfaciale interne durant latraction. Lagure 7.14 présente une expérience de tack réalisée sur le pégosimètre multifonctionssur l'huilede siliconeG20M pour une épaisseur initiale

h0 = 200 µ

m et une vitesse de traction

V = 1

mm/s. Six photos prises durant la tractionsont corrélées à lacourbede force.

 On observe tout d'abord l'échantillon représenté par le disque intérieur gris (photo (1)). On peut remarquer de plus, l'apparition de petites cavités dans l'échantillon (photo(1)) quiapparaissentau niveau du picde force.

 Ensuite, des zones de contraste diérent (plus claires) et de taille plus importante apparaissent juste aprèsle picde force(photo (2)).

 Ces zones vont s'accroître, se toucher et coalescer pour prendre toute la surface de l'échantillon en moins de

12

ms après leur apparition (photos (2), (3) et (4)). Nous sommes alors à l'entrée du plateau de force. Il va cependant rester une zone annulaireenpériphérie sanscavitésd'aucunesorte quenous appellerons:joint(voir lagure 7.15 pour plus de détails).

 Ensuite lejointétiré s'amincitquelque peu durantle plateaude force.  Enn lejointlâche etla forcechute (photos (5)et(6)).

De plus, la zone claire sur les photos présentées ci-dessus correspond à la zone où a lieula rupture adhésive. Nousnoterons que pour le pégosimètre multifonction,la rupture adhésive a lieuau niveau de l'indenteur (métallique) et non pas de laplaque support (en

Fig. 7.14  Courbe de tractionobtenue sur une goutted'huile de silicones G20M d'épais-seur initiale

h0 = 200 µ

m avec une vitesse de traction

V = 1

mm/s sur le pégosimètre multifontions.Les sixlosangesnoirs placéssur lacourbesde forcecorrespondent aux pho-tosprésentées àdroitedelacourbe.Onobservel'apparitiondecavitationpuislaformation et lapropagation de fractures interfacialesinternes.

verre).Cette zoneclaire représentedonc l'apparitionetlapropagationdes fractures inter-faciales internes.

Fig. 7.15  Photo (4) de la gure 7.14. La zone entre les deux lignes continues noires représentelejointséparantlafractureinterne(zoneclaireducentre)duménisque(identié par la ligne extérieure noire).

ménisque (cercle extérieur noir) et le bord de la zone claire intérieure (ligne continue intérieurenoire) (voirla gure7.15).

Nousavons doncvulanucléationde cavitéssuivieparl'apparitionde fractures interfa-cialesinternes.Ces fracturesvontsepropager rapidement,setoucher puiscoalescer. Il n'y aura doncà l'entrée du plateaude force qu'uneseule fracture d'unesurface presqu'égale à celle de l'échantillon.

De plus, on peut observer après la propagation de la fracture interfaciale la présence des petites cavitésapparues juste avant. Celles-cisontrondeset n'ont pas de contact avec lafracture.Àlandel'expérience, cescavitéssontvisiblesdanslevolumedel'échantillon.

Désormais, nous parlerons donc de :

 cavitation pour des cavités qui croissent dans levolume de l'échantillon,

 fracture interfaciale interne pour des cavités qui se développent à l'interface

indenteur/échantillon (ou plaque support/échantillon dans le cas du pégosimètre

Zwick).

Dans le document Tack de matériaux modèles (Page 124-130)