4. Eprouvettes « Compact Tension » CT
4.4. Mécanismes de rupture – Déchirure ductile
4.4.1. Essais de traction monotone in-situ
Un autre essai de traction in-situ suivi en laminographie a été mis en œuvre au synchrotron ANKA sur la ligne TopoTomo. Cependant, la surface d'entaille de cette seconde éprouvette avait été usinée différemment et présentait de nombreux défauts. Cet essai et cet état de surface particulier de l'entaille ont néanmoins permis de mettre en évidence et d'observer le phénomène de déchirure ductile et ces résultats ont fait l'objet d'une publication [Cheng et al., 2016] dans laquelle le lecteur pourra trouver l'ensemble des paramètres d'acquisition de cette campagne de laminographie. Sur la Figure 3.66, des coupes du VIL dans le plan (pz) à mi-épaisseur de l'éprouvette sont représentées pour différentes valeurs de CMOD et donc pour différents états de chargement. La fissure n'apparait pas dans la section nette mais s'amorce sur le défaut le plus nocif de l'entaille du fait du mauvais usinage. Elle se propage dans un premier temps (entre les valeurs de 2,8 et de 3,5 mm pour le CMOD) dans une direction normale à la courbure de l'entaille, par coalescence des cavités en bout de fissure dans cette direction.
Cependant, à partir d’une valeur de CMOD de 5,25 mm, la fissure semble se réorienter et la direction de propagation devient perpendiculaire à la direction de sollicitation et donc parallèle au plan de la
Plan pe Plan pz
section nette. Il est aussi important de noter que cette fissure n'est pas « fine » et se propage notamment par ouverture de ses lèvres. De plus la cavitation est intensifiée aux alentours de la fissure et plus développée que dans les autres zones de l'éprouvette : l'état de cavitation maximal est toujours localisé en pointe de fissure et semble donc bien à l'origine de sa propagation. Ce résultat vient nourrir les discussions concernant la différenciation d’éprouvettes fissurées et d’éprouvettes à singularité émoussée. En effet, la singularité observée sur la Figure 3.66 possède un rayon de courbure de 25 µm.
Cette valeur est suffisamment faible dans le cas des matériaux polymères pour que cette singularité puisse être raisonnablement considérée comme une fissure. Et la distribution de la porosité au-devant de cette fissure est différente de la distribution au-devant d’une singularité émoussée : le taux de porosité volumique maximal est localisé directement en pointe de fissure et n’est pas décalé dans la direction de propagation. Ce résultat est donc conforme avec le champ de contrainte de Hutchinson, Rice et Rosengren (HRR) autour d’une fissure [Hutchinson, 1968] [Rice et Rosengren, 1968] qui prévoie que la première contrainte principale soit localisée en pointe de fissure.
Figure 3. 66 Mise en évidence du phénomène de déchirure ductile. Essai de traction in-situ suivi en laminographie sur une éprouvette dont l'entaille présentait de nombreux défauts. Images 2D dans
le plan (pz) à mi-épaisseur.
500 µm 500 µm 500 µm
125 µm
F F F
CMOD = 5,25 mm CMOD = 3,5 mm
CMOD = 2,8 mm
Plan pz : Mi-Epaisseur
L'image agrandie représentant l'état de cavitation aux alentours de la pointe de fissure pour un CMOD appliqué de 5,25 mm (Figure 3.66 toujours) permet de mettre en évidence que les cavités aux alentours des lèvres de la fissure sont orientées selon leur direction et qu'au-devant de la fissure, de grosses cavités de type « tunnel » sont orientées dans la direction de propagation. Ce sont ces cavités qui, par leur coalescence, vont permettre l'avancée de la fissure lors des pas de chargement suivants. A cette étape de la propagation de fissure par ailleurs, l'organisation de cavités en polar-fans n'est plus observée, le maximum de triaxialité des contraintes étant localisé en pointe de fissure.
4.4.2. Essais de fluage
précédemment pour l'éprouvette FL235 à cela près que l'état de cavitation était moins avancé. Ensuite, cette éprouvette a été mise en charge jusqu'à atteindre une force de 310 N et donc faire progresser l'endommagement. Elle a ensuite été scannée en laminographie et sera dénommée éprouvette FL235F car elle a permis d'observer avec précision les premiers stades de la propagation d'une fissure. En effet, sur la Figure 3.67.a qui représente l'état de cavitation dans le plan (pz) à mi-épaisseur, il est possible d'observer l'apparition d'une fissure en surface de l'entaille, à proximité de la section nette. Cette fissure n'est pas une fissure « fine » et elle possède les mêmes caractéristiques géométriques que la fissure présentée en Figure 3.66. Sur l'image zoomée (à droite de la Figure 3.67.a) il est possible d'observer de nombreux polar-fans en pointe de fissure, car cette fissure est toujours dans la « zone 2 » du point de vue de la morphologie des cavités et ne s'est pas encore propagée jusqu'à la « zone 3 » caractérisée par des cavités de type « tunnel ». L’augmentation du nombre et de la taille des polar-fans par rapport aux observations de FL235 est notable. Ces augmentations sont à relier au fait que l’éprouvette FL235F a été rechargé à 310 N, entrainant une ouverture d’entaille importante. Cette ouverture d’entaille a eu pour conséquence d’augmenter le rayon de courbure de l’entaille et donc de déplacer la valeur maximale de la plus grande contrainte principale plus loin de la surface d’entaille.Ainsi, le taux de triaxialité des contraintes en fond d’entaille a diminué lorsque l’éprouvette FL235F a été chargée jusqu’à 310 N, ce qui a favorisé l’apparition et le développement des polar-fans en fond d’entaille. Enfin, il est aussi intéressant d'observer, sur la Figure 3.67.b, que la zone sans cavités visibles n'existe plus à proximité du front de fissure dans le plan (pe), ce qui permet notamment l'apparition de la fissure en surface d'entaille ainsi que sa propagation par la suite. Les phénomènes de déchirure ductile et de propagation de fissure ainsi que la géométrie (non fine) de ces fissures sont donc les mêmes au sein d'une éprouvette CT dont la cavitation a été engendrée par une sollicitation de traction monotone ou de fluage. Ce résultat était attendu car la fissuration se propage par coalescence des cavités. Or, il a été montré précédemment que les mécanismes de cavitation au sein d'éprouvettes CT déformées en traction monotone et en fluage étaient les mêmes.
Il est aussi important de noter que l’amorçage de la fissure et de la déchirure ductile ne se fait là où le taux de porosité volumique est maximal mais bien en surface de l’entaille, de la même manière que pour les éprouvettes entaillées NT4 conditionnée à HR50. Il y a donc aussi dans ce cas des éprouvettes CT une concurrence entre la nocivité des défauts en surface qui peuvent entre à l’origine de la rupture finale et le taux de porosité volumique.
Figure 3. 67 Apparition d'une fissure lors de la mise en charge à 310 N d'une éprouvette CT préalablement déformée en fluage à 235 N (éprouvette FL235F). Images de laminographie dans le
plan (pz) à mi épaisseur (a) et dans le plan (pe) au niveau de la fissure (b).