L’enjeu principal de cette thèse étant la proposition d’un critère de fatigue pour les thermo-plastiques renforcés par des fibres de verre, nous avons choisi deux différents matériaux ren-forcés. Cela permet d’évaluer le champ d’application du critère. Certes, le critère ne peut pas assurer le dimensionnement des pièces dans tous les thermoplastiques chargés. En effet, la gamme de thermoplastiques renforcés par des fibres de verre courtes est assez vaste. Mandell constate que les mécanismes de rupture varient fortement entre les différents systèmes fi-bres/interface/matrice [Man90]. C’est pour cette raison, que nous avons choisi deux matériaux assez proches. Tous les deux sont des thermoplastiques renforcés par des fibres de verre de très courte longueur (rapport de forme d’environ 25). Le choix des matériaux est aussi motivé par le contexte industriel. Le PBT+PET GF30 est choisi car il est candidat pour une applica-tion automobile qui est en train de passer d’aluminium au thermoplastique. Le PA66 GF35 est choisi parce que de nombreuses applications sont déjà produites dans ce matériau. Il s’agit donc d’un matériau relativement bien connu pour lequel Renault souhaite disposer d’un outil prédictif de tenue en fatigue en lien avec l’outil de simulation du procédé.
Le PBT+PET GF30 est choisi pour l’application pieds de barre de toit. Jusqu’à présent, ceux-ci étaient dimensionnés en aluminium. Dorénavant, pour certains modèles, l’emploi du PBT+PET GF30 est envisagé afin de réaliser d’importants gains économiques. En plus, l’allégement ainsi réalisé est un des enjeux majeurs pour Renault afin de baisser la consom-mation des véhicules. Suite au passage de l’aluminium au thermoplastique renforcé, les bu-reaux d’études ont besoin de nouveaux outils de dimensionnement appropriés aux particulari-tés de ces matériaux encore peu connus. Le PBT+PET GF30 est constitué d’un mélange de polyesters thermoplastiques semi-cristallins de polybutylène téréphtalate et de polyéthylène téréphtalate. La température de transition vitreuse se situe à environ 50°C et le taux massique de fibres de verre courtes est de 30%.
Matériaux
Le PA66 GF35 est utilisé pour de nombreuses applications sous capot comme par exemple le répartiteur d’air. Jusqu’à présent, ces pièces sont dimensionnées par des calculs simples. Sou-vent, un calcul par éléments finis avec un comportement isotrope est effectué et une évalua-tion des charges admises est faite en se basant sur la contrainte de von Mises. Ensuite, les moules sont conçus et produits. Les pièces injectées sont finalement validées par des tests d’endurance. Cette approche est extrêmement coûteuse pour deux raisons. D’un coté, lorsque les pièces n’endurent pas les essais de fatigue, une nouvelle boucle de conception doit être effectuée. De l’autre, dans le cas ou les pièces sont validées, un surdimensionnement a lieu ce qui coûte de la matière et rajoute du poids au véhicule. D’où le besoin des bureaux d’études d’un outil de dimensionnement en fatigue en lien avec l’outil de simulation du procédé.
Une particularité des polyamides est leur hydrophilie qui a un impact sur les propriétés méca-niques. En sortie du moule le matériau est sec. Dans l’environnement de service, le polyamide prend de l’eau ce qui à un impact important sur les propriétés mécaniques. Afin de caractéri-ser le matériau le plus proche de l’environnement de caractéri-service possible, il est choisi de condi-tionner les éprouvettes à un environnement standardisé de 23°C et de 50% d’humidité [Iso08]. Pour ce conditionnement, le module de Young est diminué de 25% pour le PA66 GF35. La prise d’eau est une fonction du temps et de l’épaisseur des parois. La saturation dans un envi-ronnement de laboratoire prendrait un an environ. C’est pour cette raison qu’une méthode accélérée de conditionnement suivant la norme ISO 1110 a été choisie [Iso87]. Le long de la thèse, les éprouvettes ont été stockées dans une enceinte climatique afin d’assurer la stabilité des propriétés. Le PA66 GF35 a un taux massique de fibres de verre courtes de 35%. Il s’agit d’un thermoplastique semi-cristallin.
Dans le cadre de la thèse, les essais sur le PBT+PET GF30 ont été effectués à l’ENSMA tan-dis que les essais sur le PA66 GF35 ont été effectués au LBF à Darmstadt. Le travail de thèse a donc été principalement centré sur le PBT+PET GF30. C’est pour cette raison que l’ensemble des résultats du PA66 GF35 sont présentés en Annexe C. Néanmoins, nous allons référer dans ce qui suit de nombreuses fois aux résultats du PA66 GF35.
3.2 Eprouvettes
Nous allons d’abord introduire les éprouvettes de cette étude. Les éprouvettes plates sont is-sues de plaques d’une épaisseur de trois millimètres. Les plaques sont injectées par une carot-te et la matière pénètre le moule en passant par une nappe qui rétrécie l’épaisseur. Ceci permet à la matière de pénétrer le moule par toute la largeur. De plus, les fibres sont orientées davan-tage dans le sens de l’injection grâce à l’effet de l’écoulement convergent. Les éprouvettes sont prélevées sous un angle α par usinage conventionnel, Figure 3-1-a. Les tubes, également d’une épaisseur de trois millimètres, sont injectés directement et la géométrie ne permet pas de faire varier l’angle entre la sollicitation et la microstructure. La matière arrive à partir
Matériaux
d’une carotte d’injection et passe ensuite par une collerette qui homogénéise l’écoulement et empêche donc l’apparition de lignes de soudure.
a. b.
Figure 3-1 : a. Plaque injectée. b. Eprouvette tubulaire injectée.
Nous disposons de différents types d’éprouvette afin de caractériser le comportement en fati-gue de nos matériaux. Les éprouvettes haltères sont soumises à la traction, Figure 3-2. Le fac-teur de concentration de contrainte Kt vaut 1 ce qui suggère que le champ de contrainte est homogène [Pet74].
a.
Figure 3-2 : Eprouvette haltère Kt 1 [Son08].
Les éprouvettes tubulaires sont présentées sur la Figure 3-3. Cette géométrie permet de les solliciter en traction uniaxiale, torsion uniaxiale et en traction/torsion combinées. La géomé-trie doublement courbée est choisie en sorte que l’éprouvette rompe dans la section utile et que le champ de contrainte soit proche du cas homogène.
Matériaux
Figure 3-3 : Géométrie de l’éprouvette tubulaire proposée par le LBF.
Enfin, la mini-éprouvette est présentée sur la Figure 3-4. Le petit volume permet le suivi de l’état de surface avec la technique des répliques. De plus, il nous sera possible de prélever des éprouvettes de petite taille directement dans des pièces réelles injectées de sorte à comparer les résultats de fatigue selon le procédé.
Figure 3-4 : Mini-éprouvette à petit volume permettant le suivi de l’endommagement en sur-face par des répliques.