Ouverture vers les chargements en fatigue

Afin d'étudier les mécanismes d'endommagement et de fissuration en fatigue, une éprouvette CT de même géométrie que celle des éprouvettes FL235 et FL235F déformées ex-situ en fluage (Figure 3.49.b) a été soumise à un essai de fatigue interrompu. Les caractéristiques de cet essai de fatigue mené à force imposée sont les suivantes :

- la consigne en force était sinusoïdale ;

- la force maximale imposée était de 200 N et la force minimale était de 20 N, soit un rapport de charge R = 0,1 ;

400 µm

F

70 µm

Plan pz : Mi-Epaisseur

a)

Plan pe : Au niveau de la fissure

b)

100 µm

La cavitation a atteint la F

surface de l’entaille

- la fréquence était de 1 Hz ;

- l'essai a été interrompu au bout de 3845 cycles.

L'éprouvette déformée au cours de cet essai de fatigue sera dénommée éprouvette FA200 dans la suite.

La courbe de chargement en fatigue est donnée sur la Figure 3.68.a. L'évolution en fonction du temps du déplacement de fluage cyclique mesuré aux pics de force entre les trous de goupilles où est appliqué le chargement cyclique est représentée sur l'axe des ordonnées de gauche, en bleu.

L'évolution de la vitesse de déplacement de fluage cyclique est représentée en rouge sur l'axe des ordonnées de droite. Rappelons que le déplacement de fluage cyclique aux pics correspond au déplacement mesuré aux pics auquel est soustrait le déplacement atteint au premier pic de force, considéré comme le déplacement de mise en charge. Ces courbes permettent de mettre en évidence que l'essai a été interrompu au début du stade tertiaire, c'est à dire lorsque le déplacement et la vitesse de déplacement commencent à s'emballer et à augmenter rapidement. De plus, une photographie de l'éprouvette FA200 a été prise en fin d'essai (Figure 3.68.b). Sur celle-ci, il est possible d'identifier une fissure très fine qui a atteint la surface de l'éprouvette. Le blanchiment est très localisé au niveau des lèvres de cette fissure et non pas diffus et à proximité de l'entaille comme à la surface des éprouvettes déformées en traction monotone et en fluage.

Figure 3. 68 Courbe de chargement d'un essai de fatigue ex-situ mené à 200 N sur éprouvette CT (a) et aspect de l'entaille en fin d'essai (b).

Cette éprouvette FA200 a ensuite été déchargée et démontée puis observée en laminographie aux rayons X synchrotron à l'ESRF. De la même manière que pour l'éprouvette FL235, l'éprouvette FA200 a été mise en charge avant d'être scannée jusqu'à atteindre une force de 20 N afin de rouvrir et d'observer au mieux les cavités supposées présentes au sein de l'éprouvette sans en changer la morphologie ou la distribution spatiale. Le faisceau utilisé était un faisceau parallèle monochromatique blanc caractérisé par une énergie de 25 keV. Un scan de laminographie était constitué de 3600 radiographies enregistrées successivement après des rotations à angle constant. Le

a) b)

temps d'exposition par radiographie était de 0,1 s. La taille des voxels isotropes était de 0,65 μm et la taille en voxels des volumes reconstruits de 2560 x 2560 x 1400.

Le volume de laminographie acquis n'est pas de très bonne qualité. Une coupe dans le plan (pz) à mi-épaisseur de l'éprouvette FA200 est représentée en intensité réelle sur la Figure 3.69. Sur cette image, des artefacts annulaires apparaissent au centre et les bords de l'entaille et de la fissure ne sont pas très bien définis voire même dédoublés en certains endroits.

Figure 3. 69 Images de laminographie dans le plan (pz) à mi épaisseur et dans le plan (pe) de l’éprouvette CT FA200. Mise en évidence du phénomène de fissuration en fatigue

Ces observations sont néanmoins très importantes et permettent d’établir que les phénomènes de cavitation et de fissuration au sein d’une éprouvette CT en traction monotone et en fluage ne sont pas du tout les mêmes qu’en fatigue. En effet, en fatigue (Figure 3.69), la cavitation au sens de la présence de cavités individuelles identifiables au sein de l’éprouvette est très peu développée. En revanche, une fissure dite « fine », puisque la distance entre les deux lèvres n’est que de quelques microns contrairement aux fissures observées en traction monotone et en fluage, s’est propagée. L’amorçage de cette fissure ne s’est pas effectué exactement dans la section nette de l’éprouvette et les premiers stades de propagation se font dans une direction normale à la courbure de l’entaille au point d’amorçage. Ensuite, la fissure semble bifurquer et adopter une direction de propagation perpendiculaire à la direction de sollicitation. Quelques cavités ayant la morphologie « tunnel » peuvent être identifiées de part et d’autre des lèvres de la fissure et l’état de cavitation le plus développé, caractérisé par des cavités très allongées dans la direction de propagation, se situe en pointe de fissure. C’est cet état de cavitation qui est à l’origine de la propagation par coalescence de ces cavités individuelles. De plus, la fissure présente un rayon de courbure en pointe de fissure qui ne peut être évalué et qui peut être raisonnablement considéré comme tendant vers 0. Ainsi, la distribution du champ de contraintes à proximité de cette singularité peut être déterminée par le champ

250 µm

F

Plan pz : Mi-Epaisseur

HRR [Hutchinson, 1968] [Rice et Rosengren, 1968] qui prévoie que la première contrainte principale soit localisée en pointe de fissure, de la même manière que le maximum de taux de porosité volumique ici.

Finalement, il est intéressant de se demander lequel des deux scénarios suivants est à l’origine de ce phénomène de fissuration en fatigue :

- L’état de cavitation très peu développé au sein de l’éprouvette est à l’origine de la fissuration fine en fatigue et de la propagation sans une ouverture importante des lèvres de la fissure.

- La fissure apparait avant le développement des premières cavités et induit un changement de champ de contraintes (du champ de Mc Meeking ou de Prandlt produit par la singularité émoussée qu’est l’entaille au champ HRR produit par la fissure). Alors le phénomène de cavitation se concentre en pointe de fissure.

Des essais complémentaires doivent être réalisés pour permettre de répondre à ces questions.

5. Eprouvettes lisses

Les résultats concernant les phénomènes de cavitation et de rupture au sein d’éprouvettes lisses sollicitées en traction monotone, fluage et fatigue sont présentés dans la suite. L’état de contrainte au sein d’une éprouvette lisse avant la striction est homogène et uniaxial. A partir du moment où la striction apparait, l’état de contrainte devient inhomogène et multiaxial (à taux de triaxialité faible voire modéré) et peut être décrit par le champ de Bridgman [Bridgman, 1944]. Ces résultats sont présentés en fin de Chapitre III car les observations en tomographie ont été faites à une résolution très importante de 50 nm grâce à la technique de la holotomographie. Elles sont donc d’une nature différente de celles obtenues sur éprouvettes NT4, NT045 et CT présentées précédemment. Rappelons par ailleurs qu’une des motivations premières de l’étude des phénomènes d’évolutions microstructurales (notamment de cavitation) au sein des matériaux polymères semi-cristallins provient de l’identification de la striction et du blanchiment sur éprouvettes lisses sollicitées en traction monotone. En effet, de telles manifestations macroscopiques ont des justifications et des origines microscopiques. Dans la suite, les résultats présentés concernent le matériau conditionné à HR50.