Phénomène de striction

Le suivi par caméra numérique des essais de traction monotone sur éprouvettes lisses et la synchronisation des clichés avec les données en force et en déplacement fournies par la machine de traction ont permis d'observer et de quantifier certaines grandeurs caractéristiques du phénomène de striction au cours de la déformation. Ce phénomène se caractérise par une réduction diamétrale localisée et parfois, dans les polymères semi-cristallins, par un blanchiment caractéristique du phénomène de cavitation [Lafarge, 2004] [Boisot, 2009]. Le lien entre ce phénomène macroscopique et structurel qu'est la striction et l'état de cavitation à l'échelle microscopique a été établi pour le polyamide 6 et pour le polypropylène [Laiarinandrasana et al., 2016]. Une partie de ces résultats publiés précédemment est présentée dans la suite de ce paragraphe.

La Figure 2.4 représente l'évolution de la forme d'une éprouvette initialement lisse au cours d'un essai de traction monotone mené à 0,012 s^-1 pour le matériau conditionné à HR50. Avant le pic de contrainte, l'éprouvette reste lisse et les états de contrainte et de déformation peuvent toujours être considérés comme homogènes et uniaxiaux. À partir du pic de contrainte, la striction apparaît (cliché n°1). Il est difficile d'observer le début de ce phénomène à l’œil nu mais la diminution de contrainte nominale est une des conséquences de la réduction diamétrale localisée et accélérée qu'entraine la striction : il s'agit d'un effet de structure. Lors de la phase d'adoucissement, la striction se développe et un rayon de courbure apparaît (cliché n°2). Le rayon de courbure est minimal à la fin de cette phase d'adoucissement (cliché n°3). L'état de contrainte au sein de la zone strictionnée n'est alors plus homogène et uniaxial. Enfin, dès le début du plateau de contrainte, la zone de striction se déplace et la nouvelle zone cylindrique lisse s'allonge (Cliché n°4) jusqu'à rupture finale du matériau. Au centre de la zone strictionnée, l'état de contrainte est redevenu homogène puisque l'éprouvette est localement lisse.

Il est ensuite possible de quantifier le phénomène de striction et son évolution au cours de la déformation. Pour cela, 2 grandeurs caractéristiques de la zone strictionnée peuvent être définies (Figure 2.5) :

- le diamètre minimal de l'éprouvette noté Φ, permettant de définir la réduction diamétrale comme étant ΔΦ / Φ0 = (Φ-Φ0) / Φ0 ;

- le rayon de courbure de la striction noté RS.

Sur la Figure 2.6, la contrainte nominale et la réduction diamétrale sont représentées en fonction de la déformation nominale respectivement sur les axes des ordonnées de gauche et de droite. La réduction diamétrale présente un profil de type tangente hyperbolique. Avant le pic de contrainte, le diamètre de l'éprouvette diminue uniformément sur toute sa longueur, de manière linéaire et lente. À partir du pic de contrainte, le phénomène de striction débute et la déformation se localise. Le diamètre minimal de l'éprouvette se situe alors dans la zone strictionnée et la réduction diamétrale devient plus rapide.

Enfin, à partir du début du plateau de contrainte, caractérisé par la déformation nominale εDP, la zone strictionnée s'allonge et la réduction diamétrale retrouve le même régime que celui observé avant la striction : le diamètre diminue lentement et de manière uniforme dans toute la zone strictionnée redevenue lisse localement.

Figure 2. 4 Phénomène de striction sur une éprouvette axisymétrique lisse au cours d'un essai de traction monotone.

1) 2) 3) 4)

Figure 2. 5 Définition du diamètre minimal de l'éprouvette Φ et du rayon de courbure de la striction RS.

Figure 2. 6 Evolution de la réduction diamétrale d'une éprouvette initialement lisse au cours d'un essai de traction monotone.

De la même manière, l'évolution du rayon de courbure de la striction en fonction de la déformation nominale est superposée à celle de la contrainte nominale sur la Figure 2.7. Avant le pic de contrainte, le rayon de courbure de l'éprouvette lisse est infini. À partir du pic de contrainte, le phénomène de striction débute et le rayon de courbure de la striction devient fini et diminue. Il devient ensuite quantifiable, de l'ordre de 20 mm, et atteint sa valeur minimale au début du plateau viscoplastique.

Enfin, lorsque la zone de striction se déplace, et que la réduction diamétrale retrouve son régime lent et linéaire, le rayon de courbure de la striction augmente jusqu'à atteindre à nouveau une valeur infinie, caractéristique du fait que l'éprouvette est redevenue lisse localement.

Zoom

a)

Courbe globale

Zoom

Figure 2. 7 Evolution du rayon de courbure de la striction d'une éprouvette initialement lisse au cours d'un essai de traction monotone.

Le suivi par caméra numérique des essais de traction monotone sur éprouvettes lisses a été effectué pour les trois vitesses de déformation et chaque essai a été doublé. La Figure 2.8.a (respectivement la Figure 2.8.b) représente, pour ces 6 essais, l'évolution de la réduction diamétrale (respectivement du rayon de courbure de la striction) en fonction de la déformation nominale normalisée par la déformation au début du plateau viscoplastique εDP. Ainsi, la Figure 2.8.a permet de conclure que l'évolution du diamètre minimal de l'éprouvette ne dépend pas de la vitesse de déformation puisque les courbes présentent toutes le même profil et que la fin de la phase de réduction rapide du diamètre coïncide bien à chaque fois avec le début du plateau viscoplastique (caractérisé sur le graphique par la coordonnée ε / εDP = 1).

Du point de vue de l'évolution du rayon de courbure de la striction (Figure 2.8.b), toutes les courbes présentent le même profil en « V » et le rayon minimal est atteint aux environs du début du plateau viscoplastique. Cependant, la vitesse de déformation a une influence sur la valeur du rayon de courbure minimal atteint : plus la vitesse de déformation est élevée, plus le rayon de courbure minimal est faible. Il a été montré par ailleurs que la valeur de ce rayon minimal de striction diminue lorsque la teneur en eau du PA6 diminue mais que l'évolution de la réduction diamétrale n'était pas impactée [Laiarinandrasana et al., 2016].

Zoom

a)

Courbe globale

Zoom

Figure 2. 8 Influence de la vitesse de déformation sur l'évolution de la réduction diamétrale (a) et du rayon de courbure de la striction (b) d'une éprouvette initialement lisse déformée en traction

monotone.