CHAPITRE 4 : DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX
1. L’ESSAI DE GLISSEMENT-RAYURE OU « SCRATCH » TEST
2.1. Généralités ... 57 2.2. Techniques de la spectrométrie mécanique ... 58
3. ESSAI DE COMPRESSION ... 59
3.1. Dispositif expérimental... 59 3.2. Détermination du seuil d’écoulement plastique ... 59
1. L’ESSAI DE GLISSEMENT-RAYURE OU « SCRATCH » TEST
On a vu au chapitre 3 le principe général de l’essai de glissement-rayure. On verra dans ce paragraphe en détail, le principe du dispositif expérimental d’essai de glissement-rayure développé au laboratoire.
Notre dispositif expérimental (Figure 4.1) est composé d’une table de déplacement sur laquelle est posée une chambre thermique. On place un échantillon dans la chambre. On applique alors une charge normale constante sur l’échantillon à l’aide d’une pointe qui reste immobile, seule la chambre thermique et l’échantillon se déplacent. Un système de capteurs dont le principe a été breveté permet de mesurer les forces tangentielles et normales lors du déplacement en contact tangentiel. Une caméra CDD placée au dessus de la chambre thermique permet de suivre l’évolution de l’essai de rayure et d’obtenir des images in-situ de l’aire de contact entre la pointe et l’échantillon.
Sample
Thermal chamber
Servomechanism
Figure 4.1 : schématisation du dispositif expérimental développé au laboratoire.
Le contrôle du déplacement de la table et l’enregistrement des données sont pilotés par un ordinateur.
Le dispositif génère des rayures à vitesse variable, par palier, selon une progression logarithmique, pour balayer en un essai 4 décades de vitesse de glissement Vtip, de 10-3 à 15 mm/s en 20 paliers. Un exemple de pilotage est représenté Figure 4.2.
35 0 5 10 15 20 25 30 100 Scratched length (mm) 1E-3 0,01 0,1 1 10 Vtip (mm/s)
Figure 4.2 : exemple de la progression logarithmique des 20 paliers de vitesse.
La charge appliquée sur la surface peut être choisie entre 0.05 N et 5 N avec une précision meilleur que le %. Le dispositif permet de mesurer les forces tangentielles et normales lors du déplacement de la pointe grâce à des capteurs de force. L’échantillon est placé dans une enceinte thermique, relié à un système d’injection en flux permanent de gaz. L’injection d’air comprimé dont la température est chauffée entre 20°C et 110°C permet de faire des mesures à haute température. La vaporisation d’azote liquide permet par ailleurs de faire des mesures à partir de –70°C et en air sec contrairement à l’air comprimé.
Un dispositif de vision (Figure 4.3) in-situ permet d'analyser l'aire réelle de contact entre la pointe rigide et la surface de l'échantillon, observation autorisée par les propriétés optiques des polymères étudiés (polymères amorphes donc transparent). Les images de l’aire de contact sont enregistrées à chaque milieu de palier de vitesse. L’observation in-situ de la géométrie de contact permet avec un flou inférieur à 1 µ m à vitesse maximale, d’avoir un champ visuel de l’ordre de 520µ m par 390µm. L’analyse de la géométrie de contact est une source d’information très riche comme on le verra au chapitre 5, elle permet entre autre d’obtenir la forme et la dimension du contact.
L’intérêt principal de ce dispositif est la vision in-situ et non post mortem de l’aire de contact. La plupart des dispositifs existants ne permettent pas la vision et le recours à un microscope après l’expérimentation est alors nécessaire [1][2][3].
V
Fn
Ft CCD
Figure 4.3 : schématisation du dispositif de vision.
Les paramètres d'essais sont la force normale, la géométrie de la pointe, la température et la vitesse de glissement. Les grandeurs mesurées sont la force tangentielle, la géométrie du sillon laissé et l'aire réelle de contact. Les mesures des forces tangentielles et normales permettent d’évaluer le coefficient de frottement apparent, en fonction de la vitesse de glissement ou de la vitesse de déformation défini au chapitre 3. L’évaluation de l’aire vraie de contact permet entre autre d’évaluer la pression vraie de contact en faisant le rapport de la force normale sur l’aire vraie de contact. On fait l’hypothèse que la pression de contact dépend du niveau de déformation, qui est lui même piloté par la géométrie de la pointe, la charge normale et les propriétés intrinsèques du matériau. La pression de contact (p) est donc une fonction de la forme :
) , , , ( T E f p= ε &ε (4.1)
On suppose de même que ∂p/∂ε reste du second ordre par rapport aux autres variations, dans le domaine plastique..
Figure 4.4 : images des contacts obtenus selon les conditions expérimentales, de températures, de géométrie de pointe, de vitesse de glissement…(L’échelle n’est pas la même pour les trois
La Figure 4.4 montre les différents contact que l’on observe in-situ (avec la caméra CDD), selon la géométrie de la pointe, la température, la vitesse de glissement ou le polymère. Les trois images ne sont pas à la même échelle. Sur l’image de gauche on a un contact viscoélastique glissant. Sur l’image du milieu on a un contact viscoélastique avec apparition d’un sillon viscoélastique. Sur l’image de droite on a une rayure viscoplastique. Une modification d’une grandeur permet d’obtenir l’un ou l’autre des contacts. Par exemple une augmentation importante de la vitesse de glissement peut permettre de passer de la rayure viscoplastique au contact viscoélastique glissant. On s’intéressera au chapitre 5 à une petite étude des temps de recouvrance notamment pour le PMMA.
On a vu au chapitre 3 que la géométrie de la pointe imposait en partie le niveau de déformation moyenne ε . On utilisera principalement pour les expérimentations des pointes coniques avec extrémités sphériques. Ces pointes détaillées Tableau 4.1 sont pour la plupart des pointes en diamant ou des billes de roulement.
Rayon de la sphère Angle du cône
790 µ m* / 200 µ m 120° 100 µ m 90° 80 µ m 60° 20-30 µ m 120°
Tableau 4.1 : géométrie des pointes utilisé. La bille de 790 µ m est une bille de roulement.
R
θ
A charge élevée et ou à température importante l’enfoncement de la pointe est tel que toute la partie sphérique de la pointe est enfoncée dans le matériau de manière à ce que la partie conique impose les déformations. L’enfoncement (δ ) dans la partie sphérique est donné en e fonction du rayon de contact (a ) mesuré à l’aide de l’imagerie, par la relation :
2 2 a R R e = − − δ (4.2)
L’enfoncement limite (δ ), ou de transition entre le passage sphère cône est tel que le rayon e0 de contact limite a0 =Rcosθ (ou θ est le demi angle du cône) est donné par :
) sin 1 ( 0 θ δe =R − (4.3)
L’enfoncement dans la partie conique, pour des rayons de contact supérieur au rayon de contact limite est donné par la relation :
2 0 2 0 tan R R a a a e = − + − − θ δ (4.4)
Les valeurs des rayons limites et des enfoncements limites sont représentées dans le tableau 4.2 en fonction des géométries de pointes utilisées expérimentalement. La Figure 4.6 montre l’évolution de l’enfoncement (δ ) d’une pointe de 100 microns de rayon de courbure et de e 90° d’un angle de cône, en fonction de la demi largeur de contact (a )
Rayon courbue (microns)
θ (degré) a (microns) 0 δ (microns) e0
80 30 69.2 40
100 45 70.7 29.2
200 60 100 26.8
30 60 15 4
0 25 50 75 100 125 150 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 δe0 a0 Rayon = 100 microns angle = 45° δ e (microns) a (microns)
Figure 4.6 : évolution de l’enfoncement d’une pointe de 100 microns et d’un demi angle de cône de 45°, en fonction de la demi largeur de contact.
Remarque : un essai de rayure correspond à une suite continue de cycles de charges et décharges.
En conclusion, notre dispositif d’essai de rayure permet de faire des rayures, mais aussi des essais de glissement. La différence vient principalement du niveau de déformation imposée et du type de matériau utilisé.