Les mécanismes élémentaires de l’endommagement

3 Endommagement mécanique des matériaux composites polymères

renforcés de fibres de carbone, CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics)

L’état de l’art décrit ici se concentre sur les composites constitués d’une matrice en polymère renforcée de fibres de carbone, également appelés CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics). Comme tous les matériaux, les CFRP sont sujets à endommagement, qui doit être connu et étudié afin de pouvoir prédire la tenue des structures face à des chargements mécaniques.

L’endommagement et la ruine des matériaux composites sont des phénomènes très complexes où plusieurs mécanismes différents apparaissent et interagissent. Ces phénomènes prennent naissance à l’échelle microscopique. Chaque constituant ou interface peut être affecté par un mécanisme d’endommagement. Dans le cadre de la prévision de la tenue de structures composites soumises à un chargement quelconque (qu’il soit mécanique, thermique ou couplé), il est indispensable d’une part de connaître les mécanismes de dégradation aux différentes échelles et, d’autre part, de proposer une modélisation des conséquences de cet endommagement sur le comportement mécanique du matériau et donc de la structure. C’est pourquoi ces mécanismes sont décrits en 3.1. Puis les modélisations de ces mécanismes constatés expérimentalement sont présentées en 3.2.

3.1 Les mécanismes élémentaires de l’endommagement

L’endommagement mécanique des matériaux est par définition la création irréversible de défauts dans le matériau. Il se produit lorsqu’à un endroit du matériau, la résistance est plus faible qu’ailleurs. Une partie du matériau rompt alors localement, ce qui se traduit par un report de la charge exercée sur une surface plus petite. Le chargement étant inchangé mais la surface diminuée, la contrainte imposée au matériau est localement plus élevée. Lorsque le chargement imposé augmente, la contrainte va peu à peu propager l’endommagement initial et amener à la rupture finale, ou ruine du matériau. Un matériau composite étant généralement constitué de plusieurs plis (dans le cas des stratifiés ou des bobinés), l’endommagement va d’abord toucher un pli puis se propager aux autres. Il est donc nécessaire de s’intéresser à l’endommagement à l’échelle de chaque constituant, puis à celles du pli et de l’éprouvette.

3.1.1 Endommagements à l’échelle de chaque constituant

3.1.1.1 Endommagement de la matrice

En plus des pores déjà présents au sein du matériau initial (dus à ses conditions de fabrication), lorsqu’elle est soumise à un chargement mécanique, la matrice est sujette à la formation de pores, qui vont coalescer et se propager pour donner naissance à des fissures Figure 18 [60] :

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3.1.1.2 Rupture des fibres

Chaque fibre de carbone possède une certaine limité d’élasticité qui, lorsqu’elle est atteinte, entraîne la rupture de la fibre, que cela soit en traction ou en compression, par flambage. Les fibres rompues ont l’aspect suivant (Figure 19 [61]) :

Figure 19 : Visualisation de fibres au Microscope électronique à balayage [61]

Le matériau composite étant constitué de plusieurs plis, il faut ajouter à ces mécanismes d’endommagement qui affectent indépendamment les fibres et la matrice, les mécanismes d’endommagement dus aux interactions entre ces deux entités. Ces interactions sont recensées dans les paragraphes suivants aux échelles supérieures, à savoir celles du pli et du matériau.

3.1.2 Endommagements à l’échelle du pli

L’étude est limitée aux plis dits unidirectionnels, i.e. au sein desquels toutes les fibres sont parallèles entre elles, en opposition aux matériaux « tissés » (Figure 20 [62]) :

Figure 20 : Schéma d’un pli et de son orientation [62]

A l’échelle du pli, il existe deux groupes d’endommagements. Le premier est dû à la propagation à tout le pli des endommagements touchant indépendamment fibres et matrice, à savoir la rupture des fibres et la fissuration matricielle. Le second est dû à la concentration des contraintes ayant lieu à l’interface (ou interphase) de la fibre et de la matrice et qui entraîne la décohésion puis la rupture d’interface Figure 21 [63] :

Figure 21 : Décohésion de l’interface fibre-matrice observée au Microscope électronique à balayage [63]

Ensuite, cette décohésion peut éventuellement se propager à tout le pli par fissuration matricielle (cf. Figure 18 [60]).

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3.1.3 Endommagements à l’échelle matériau

L’étude [62] est ici limitée aux composites constitués de plis unidirectionnels, en opposition aux plis enchevêtrés ou tissés.

Les endommagements à l’échelle de l’éprouvette sont alors la somme des endommagements ayant lieu dans le plan du pli (endommagements intraplis ou intralaminaires) et des endommagements transversaux, ayant lieu hors plan, entre les plis (endommagements interplis ou interlaminaires). Les endommagements intraplis ont déjà été évoqués dans le paragraphe précédent. La Figure 22 présente le résultat à l’échelle de l’éprouvette, de la rupture de fibres, par fissuration matricielle et par rupture de l’interface fibre-matrice. Les orientations indiquées sont celles des fibres au sein des plis, en comparant la direction de sollicitation par rapport à la direction des fibres (Figure 22 [8]) :

Figure 22 : Rupture de fibres (en haut à gauche), rupture par fissures matricielles (en haut à droite), rupture de l'interface fibre/matrice (en bas) [8]

L’endommagement interpli principal ayant lieu au sein des éprouvettes stratifiées est le délaminage, qui est une perte d’adhésion entre différents plis. Ce phénomène est illustré sur la Figure 23 [40, 41], qui montre une propagation des fissures matricielles jusqu’à l’interface entre deux plis. La fissure se propage alors en rupture d’interface (ou l’inverse), puis atteint le pli suivant, ce qui entraîne le décollement du pli fissuré par rapport au pli adjacent. Ainsi, ce phénomène ayant lieu dans le plan a des conséquences hors-plan [64], [65].

Figure 23 : Microdélaminage en extrémité de fissure matricielle [64], [65]

Le recensement effectué permet de faire le bilan présenté Figure 24, regroupant les principaux endommagements affectant les composites stratifiés [11] :

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Figure 24 : Endommagements observés dans les composites stratifiés [11]