Les propriétés mécaniques en traction des assemblages soudées en PA66-GF30

3.2.1 Caractérisation de la longueur des chaînes polymères ... 74 3.2.2 Caractérisation de la morphologie cristalline de la matrice dans la zone soudée ... 75 3.3 Analyse de la microstructure des zones soudées par microtomographie RX ... 78 3.3.1 Analyse qualitative de l’orientation des fibres au sein des différents échantillons ... 80 3.3.2 Epaisseur de la zone soudée ... 81 3.3.2 Caractérisation des cavités ... 83 3.3.3 Analyse tridimensionnelle de l’orientation des fibres ... 86 3.3.4 Agglomération des fibres dans la zone soudée ... 89 3.4 Observation de la microstructure des échantillons soudés pré-déformés ... 91 3.5 Conclusion de l’étude sur le soudage du PA66-GF30-AN ... 94 3.6 Comparaison avec les autres grades de polyamides étudiés ... 95

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Chapitre 3 : Effets du soudage sur la microstructure et le

comportement en traction du PA66-GF30

L’objectif de ce chapitre est d’évaluer l’effet de deux paramètres de configuration de soudage sur le comportement en traction et la microstructure des assemblages soudées : l’effet de l’orientation initiale des fibres et l’effet de la pression de soudage. L’effet de l’orientation initiale des fibres sur la contrainte à la rupture des assemblages soudés a été évaluée dans plusieurs études précédemment exposées dans le chapitre 1 (Dai & Bates, 2008) (Fiebig & Schoeppner, 2016) mais peu d’études couplent des caractérisations multi-échelles fines aux essais mécaniques pour relier quantitativement les propriétés à la microstructure. Concernant l’effet de la pression de soudage, il est généralement admis dans la littérature qu’une augmentation de ce paramètre induit une baisse de la contrainte à la rupture en traction des assemblages soudées car la hausse de pression augmente les taux de cisaillement au sein de la zone fondue, induisant une réorientation plus forte de la morphologie cristalline de la matrice et des fibres. En faisant varier ce paramètre, nous voulons quantifier son influence sur la microstructure.

Ce chapitre reprend les points principaux d’un article soumis dans Composites Part A: Applied Science and Manufacturing en 2019.

3.1 Les propriétés mécaniques en traction des assemblages soudées en

PA66-GF30

Comme expliqué dans le chapitre 2, quatre configurations de soudage ont été réalisées : LW1 et LW4 qui représentent des soudures effectuées avec une orientation initiale des fibres perpendiculaire à la soudure (et donc orientées dans le sens de la sollicitation) à des pressions respectives de 1 et 4 MPa et TW1 et TW4 qui sont des configurations dans lesquelles les fibres sont parallèles à la soudure (et donc transverses à la sollicitation). Des éprouvettes de traction non soudées ont également été usinées dans les plaques pour comparaison avec les éprouvettes soudées : les éprouvettes L qui sont sollicitées longitudinalement par rapport aux fibres et les éprouvettes T pour lesquelles la sollicitation est appliquée transversalement aux fibres. La Figure 50 présente les courbes contrainte - déformation obtenues lors des essais de traction en quasi-statique (a) et à la vitesse de déformation correspondant au backfire (b). Le dernier point de chaque courbe correspond à la rupture de l’échantillon qui a systématiquement lieu dans la zone soudée pour les échantillons soudés et dans la section étroite ou à proximité du rayon de courbure pour les éprouvettes non soudées. La Figure 51

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illustre les résultats moyens obtenus, pour chaque série de 6 éprouvettes de traction provenant de la même plaque. Les barres d’erreur correspondent à plus ou moins l’écart type de la série de mesures contenant 6 éprouvettes.

Figure 50 : Courbe contrainte - déformation des échantillons soudés et non soudés en a) quasi statique (𝜀̇ = 10−4_𝑠−1_{) et b) à}

plus forte vitesse (𝜀̇ = 10−1𝑠−1₎

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Pour le matériau non soudé, les résultats de la Figure 50 indiquent une anisotropie : le comportement mécanique des éprouvettes est différent selon la direction de sollicitation appliquée en raison de l’orientation des fibres induite par le procédé d’injection. En effet, le matériau est plus rigide et se déforme moins tout en présentant une contrainte à rupture supérieure lorsqu’il est sollicité longitudinalement (dans la direction d’injection). De plus, il apparaît également que la déformation à la rupture des échantillons dépend fortement de la vitesse de sollicitation. Cet effet de la vitesse de sollicitation est en accord avec le caractère viscoélastique du polyamide (Arif, et al., 2014).

Concernant les échantillons soudés, le comportement est semblable aux échantillons non soudés aux faibles déformations (<1%) mais la rupture intervient pour des valeurs de chargement beaucoup plus faibles. En accord avec la littérature (Bates, et al., 2005), les échantillons soudés à basse pression présentent une contrainte à rupture plus élevée que ceux soudés à forte pression. Concernant l’orientation initiale des fibres, les résultats indiquent que, contrairement aux études publiés (Dai & Bates, 2008) (Fiebig & Schoeppner, 2016), les configurations de soudage avec les fibres majoritairement orientées dans la direction d’assemblage (LW1 et LW4) permettent d’obtenir des échantillons présentant une contrainte à la rupture plus élevée que les soudures avec des orientations initiales de fibres transverses (TW1 et TW4) et ce d’autant plus que la pression de soudage est faible. De plus, pour les échantillons TW, le module d’élasticité est légèrement plus faible lorsque le matériau est soudé alors que pour les échantillons LW, il n’y a pas de différence de module entre les échantillons non soudés et soudés. Enfin, comme pour les échantillons non soudés, la vitesse de sollicitation a également une influence sur la réponse mécanique des échantillons soudés. Les essais réalisés à la vitesse du backfire conduisent à une contrainte à rupture légèrement plus élevée. Pour un dimensionnement en contrainte du répartiteur d’air, la forte vitesse de sollicitation advenant lors du backfire n’est donc pas un facteur aggravant.

Le Tableau 6 présente les valeurs des coefficients de soudage, utilisés pour définir l’efficacité de l’opération de soudage en fonction des paramètres appliqués. En accord avec la littérature (Kagan & Roth, 2004), les résultats indiquent que contrairement au cas des polymères non renforcés où les coefficients de soudage peuvent se rapprocher de 1, les coefficients de soudage obtenus dans le cas des polymères renforcés par des fibres de verre sont bien inférieurs avec des valeurs variant entre 0,44 et 0,65. Il est également intéressant de relever que les coefficients de soudage sont significativement plus élevés lorsque la pression de soudage appliquée est faible.

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74 Echantillons 𝝈𝒎𝒂𝒙 (𝒔𝒐𝒖𝒅é) 𝝈𝒎𝒂𝒙 (𝒏𝒐𝒏−𝐬𝐨𝐮𝐝é) à 10 -4 _s-1 𝝈𝒎𝒂𝒙 (𝐬𝐨𝐮𝐝é) 𝝈𝒎𝒂𝒙 (𝒏𝒐𝒏−𝒔𝒐𝒖𝒅é) à 10 -1 _s-1

Longitudinalement soudé à 1 MPa (LW1) 0,65 0,62 Longitudinalement soudé à 4 MPa (LW4) 0,50 0,44 Transversalement soudé à 1 MPa (TW1) 0,63 0,63 Transversalement soudé à 4 MPa (TW4) 0,54 0,55

Tableau 6 : Valeurs des coefficients de soudage

Les éprouvettes soudées s’assimilent à des structures constituées du matériau de base auquel une phase supplémentaire ayant des propriétés différentes, la soudure, a été ajoutée. La contrainte macroscopique appliquée au cours des essais de traction se redistribue donc entre le matériau de base et la zone soudée. Les essais de traction indiquant que la rupture a lieu dans la zone soudée, il est donc indiqué d’étudier plus en détail cette dernière.