La flexion trois points

2.5.4.1 Principe

La flexion trois points est le cas de charge le plus utilisé parmi tous les essais de flexion sur les matériaux. L’essai de flexion trois points consiste tout simplement à faire déformer (éventuellement jusqu’à la ruine), à l’aide d’un appui mobile, une éprouvette reposant sur deux autres appuis fixes, en exerçant une charge continue dessus. La charge s’applique sur la face supérieure de l’éprouvette. 2.5.4.2 Objectif

L’objectif des essais de flexion est de :

— mesurer les propriétés de flexion des différents stratifiés telles que la contrainte à la rupture et le module de flexion ;

— étudier l’influence de la séquence d’empilement des couches sur les propriétés des stratifiés hy- brides ;

— de pouvoir comparer des résultats donnés par une approche analytique (qui sera développée dans le chapitre 5) avec les résultats expérimentaux.

Marteau oscillant (5J)

Éprouvette Freinage du marteau

Appuis

2.5.4.3 Géométrie des éprouvettes

La norme ISO 14125 a été appliquée pour déterminer la géométrie et les dimensions des éprouvettes de flexion. Toutes les éprouvettes sont de forme parallélépipédiques. Cependant, elles n’ont pas toutes les mêmes dimensions. En effet, les dimensions des éprouvettes sont fonction de leurs épaisseurs. Dans le cas des polymères renforcés par des tissus (matériau de classe II selon la norme), pour une épaisseur de 4 mm, les dimensions sont fixes (80 mm de long et 15 mm de large). Mais, toutes nos plaques composites ont des épaisseurs en-dessous de cette valeur. Donc une formule, donnée par la norme, a été appliquée. Si, nous désignons par h (1 6 h 6 4) l’épaisseur de l’éprouvette, sa largeur, b, est toujours fixée à 15 mm (b=15mm) tandis que sa longueur l est donnée par :

l=20 h (2.3)

La portée L est définie comme la distance entre les appuis (inférieurs) sur lesquels repose l’éprou- vette. Elle est donnée par la relation 2.4.

L=16 h (2.4)

2.5.4.4 Préparation des éprouvettes

Le déplacement de l’éprouvette a été mesuré par corrélation d’images numériques (CIN). La tech- nique de mesure de déplacement ou de déformation par CIN demande un certain nombre de précautions pour avoir des résultats précis et fiables. Dans notre cas, une préparation de surface est nécessaire.

Un mouchetis a été réalisé dans la tranche de l’éprouvette afin de créer un motif aléatoire pouvant permettre de réaliser une bonne mesure. Ainsi, une couche de peinture blanche mate a été appliquée dans un premier temps sur la tranche sur laquelle on réalise ensuite aléatoirement quelques taches de peinture noires plus ou moins grosses.

Une étude [148] a montré l’influence du nombre de taches et de leur taille au sein du mouchetis sur la qualité de la corrélation d’images. Il a été démontré que les motifs possédant un nombre important de taches avec un grand diamètre donnent de meilleurs résultats en termes de calcul de déplacement ou de déformation.

Cependant, la réalisation d’un bon mouchetis n’est pas simple. Il est difficile d’avoir à la fois de bonnes tailles des taches et une bonne répartition. Nous avons donc fait plusieurs tentatives avant d’avoir des motifs qui nous ont permis de faire de bonnes mesures. Bien que ce n’est pas très visible, nous pouvons tout de même distinguer la présence des motifs dans la tranche de l’éprouvette présentée sur la figure 2.13.

2.5.4.5 Dispositif expérimental

Les essais ont été menés sur une machine de traction universelle de type MTS Criterion, équipée d’une cellule d’effort de 5 kN qui mesure l’effort exercé par l’appui supérieur sur l’éprouvette. La ma- chine est équipée d’un système d’acquisition automatique qui enregistre l’évolution de la charge en fonction du déplacement de la traverse au fil de l’essai. Mais le déplacement de la traverse ne correspond pas forcément au déplacement de l’éprouvette. C’est pour cela que, pour s’affranchir de la contribution parasite de la machine, le déplacement a été mesuré par la technique de corrélation d’image.

Comme décrit dans une section de la partie dédiée aux essais de compaction (section 2.5.1.3), tous les essais de flexion ont été filmés via le même dispositif. Et, la fréquence d’acquisition est dans ce cas d’une image toutes les cinq secondes. La figure 2.14 montre le dispositif expérimental de flexion.

Par séquence d’empilement, cinq échantillons ont été sollicitées et, avant d’effectuer les essais, tous ont été séchés au four durant 1h afin d’éliminer les traces d’humidité.

Tous les essais ont été conduits jusqu’à la rupture totale des échantillons, à une vitesse constante de 0.5 mm/min.

(a) Début d’essai

(b) En cours d’essai (c) Fin d’essai

FIGURE 2.13 – Évolution de la déformation de l’éprouvette durant l’essai de flexion. Exemple de la

Parce qu’une différence relativement importante du taux d’humidité peut influer sur les résultats expérimentaux, la température et l’humidité relative de l’air ont été mesurées avant le déroulement des essais, afin d’être sûr que tous les matériaux ou toutes les éprouvettes, ont été testés dans les mêmes conditions expérimentales. Le taux d’humidité relative était de 52,3 % alors que la température s’élevait à 20,5◦_C. Éclairage Éprouvette Cellule d’effort Caméra Banc d’essai

FIGURE2.14 – Dispositif d’essai de flexion

2.5.4.6 Validation du calcul CIN

Afin de valider les calculs de déplacement effectués par corrélation d’images, nous les avons confron- tés avec les déplacements mesurés directement par la traverse de la machine d’essai. Le logiciel de CIN utilisé dans le cadre de ce travail est le logiciel 7D développé par P. Vacher et T. Coudert au laboratoire SYMMEd’Annecy [149].

La figure 2.15 indique l’évolution des comportements de l’ensemble des séquences aussi bien pour l’étude réalisée en corrélation que pour le déplacement de la traverse. On remarque qu’il y a une bonne concordance entre les deux méthodes. Les tendances sont similaires. Ce qui montre que notre démarche de calcul est en accord avec la réalité expérimentale.

Néanmoins, on observe un écart entre les deux courbes caractéristiques relatives aux deux méthodes. Cet écart s’explique par une présence de jeu dans la machine ou par le déplacement des corps rigides. En réalité, la technique de corrélation d’image ne se focalise que sur l’éprouvette et donc elle élimine tout jeu ou déplacement parasite ou encore le poinçonnement de l’éprouvette sur les appuis. C’est pour cela que les déplacements de CIN sont inférieurs à ceux mesurés par la machine.

Dans tous les résultats qui seront présentés dans cette thèse par rapport à la flexion, seuls les dépla- cements mesurés par CIN seront pris en compte, car nous considérons qu’ils sont les déplacements réels de l’éprouvette.

0

1

2

3

4

5

6

Déformation (%)

0

100

200

300

400

500

600

700

Contrainte (MPa)

[CCCC]s

[CCLL]s

[CLCL]s

[LCLC]s

[LLCC]s

[LLLL]s

Continu = CIN

Pointillé = Traverse

FIGURE2.15 – Validation du calcul de déplacement par CIN (Corrélation d’images numériques)

2.5.4.7 Mode de rupture

L’essai de flexion trois points est gouverné par trois composantes du champ de contraintes. Il s’agit des contraintes de traction (subies par les couches inférieures à la fibre neutre et opposées à la surface d’application de la charge), des contraintes de compression (subies par les couches supérieures à la fibre neutre) et des contraintes de cisaillement interlaminaire le long de la fibre neutre [150].

La figure 2.16 montre les différents modes de rupture possibles dans le cadre d’un essai de flexion. Les modes de rupture sont fonction des caractéristiques du matériau et de l’élancement4_{. Pour un com-}

posite stratifié, les caractéristiques dont dépend le mode de rupture sont les matériaux constitutifs et la séquence d’empilement.

Les 6 modes de ruptures illustrés par la figure 2.16 sont définis comme suit : ➀ rupture des fibres en traction ;

➁ rupture en traction de la couche externe inférieure ; ➂ rupture en compression ;

➃ rupture en traction avec cisaillement interlaminaire ;

➄ rupture en compression avec cisaillement inter et intralaminaire ; ➅ rupture en cisaillement interlaminaire.