Caractérisation des matériaux
M. S quelques secondes Oui
2.2.3.4 Résultats expérimentaux
a) Description du comportement global
Les résultats sont exprimés sous forme de courbes effort de traction-déformation. Comme il n’est pas possible de mesurer directement l’allongement du fil par extensométrie, l’allongement est calculé par le rapport du déplacement du mors mobile sur la longueur libre du fil. Cette méthode manque de précision puisque l’allongement ainsi déterminé comprend le glissement et la déformation des talons.
La figure 2.6 résente le comportement type d’un fil de verre soumis à un effort de traction (Fil sec, LL = 10 cm). Tout d’abord, on enregistre un adoucissement initial (zone a) appelé activation retardée [38], suivi d’un comportement quasi-linéaire qui se caractérise par l’augmentation de l’effort résistant et la déformation du fil jusqu’à une valeur maximale (point 1). Par la suite, l’effort diminue avec augmentation de la déformation. Dès que cette dernière atteint sa valeur maximale (point 2), il y a rupture de tous les filaments. L’effort dans ce cas s’annule brutalement. Le phénomène d’activation retardée qui se passe au début de l’essai résulte de la mise en tension progressive des filaments ayant des longueurs légèrement différentes (à cause des petits défauts d’alignement dans le fil). En effet, ce sont les filaments les plus courts (ou les
plus rectilignes) qui sont chargés les premiers, ce qui engendre des ruptures non simultanées des filaments pendant l’essai. Les premières ruptures se produisent une fois qu’il y a un changement de la pente de la partie montante de la courbe (point b), ensuite l’effort se répartit entre les filaments moins chargés jusqu’à atteindre l’effort maximal où un grand nombre de filaments sont cassés (figure 2.9.b), ce qui mène à la diminution de l’effort résistant du fil.
La zone décroissante de la courbe effort-déformation présente une pente plus forte que celle de la partie montante. Elle est caractérisée par les ruptures successives des filaments sains et par les frottements qui résultent de l’interaction entre les filaments qui se sont déjà rompus et les filaments tendus non encore rompus.
Afin d’affiner l’analyse de l’influence de la longueur libre du fil et la présence d’eau sur le comportement en traction du fil de verre, trois caractéristiques ont été déterminées à partir de la courbe effort-déformation pour chaque configuration expérimentale (figure 2.6) :
— L’effort maximal repris par le fil, noté F1;
— La pente de la partie ascendante de la courbe effort-déformation, notée P ;
— La déformation globale du fil, noté ∆ qui correspond à la déformation entre les points situées à 50% de l’effort maximal de la partie montante et 50% de l’effort maximal de la partie décroissante. Cette caractéristique a été adoptée par [86] pour caractériser le comportement mécanique d’un fil de verre soumis à un effort de traction.
Figure 2.6 – Courbe effort-déformation représentative (fil sec, LL = 10 cm) ; Notations utilisées pour l’exploitation des résultats
La figure 2.7 montre que la maîtrise du procédé de fabrication des éprouvettes, notamment l’alignement du fil et la protection des filaments pendant la préparation des talons et la mise en place de l’éprouvette dans les mors, nous a permis d’une part d’augmenter la valeur moyenne de l’effort résistant de 277 N jusqu’à 345 N (gain de 24%) et d’autre part, de réduire la variabilité des résultats (le coefficient de variation de l’effort maximal passe de 20% à 6.6%).
b) Influence de la longueur libre
Les courbes effort-déformation obtenues, montrant le comportement mécanique en traction du fil de verre pour les trois différentes longueurs libres, sont présentées sur la figure 2.8.
Nous constatons que le phénomène d’activation retardée devient plus important lorsque la longueur libre de l’éprouvette augmente, cela est dû à l’ondulation des filaments qui est
remarquable pour les grandes longueurs libres du fil. De plus, le fil de longueur libre de 5 cm présente une variabilité importante car l’effet des défauts d’alignement dans des éprouvettes de faibles longueurs libres est plus marqué.
Figure 2.7 – Influence de la maîtrise de techniques de préparation des éprouvettes sur l’effort résistant du fil (fil sec, LL = 15 cm)
(a) 5 cm (b) 10 cm
(c) 15 cm
Figure 2.8 – Courbes effort-déformation du fil de verre : (a) LL = 5 cm, (b) LL = 10 cm et (c) LL = 15 cm
La figure 2.9 montre trois éprouvettes de différentes longueurs libres à trois phases d’essai : (a) : avant le début de l’essai ;
(b) : lorsque le fil atteint sa résistance maximale où un nombre important de filaments sont rompus ;
(c) : la fin d’essai où tous les filaments sont cassés.
Figure 2.9 – Eprouvettes testées : (a) avant l’essai, (b) sous l’effort maximal et (c) fin d’essai Une comparaison des trois caractéristiques (F1, P et ∆) citées précédemment a été faite entre les trois différentes longueurs libres du fil.
La figure 2.10.a, qui présente l’évolution de l’effort maximal F1 en fonction de la longueur libre, montre que le fil présente une résistance en traction plutôt élevée pour les faibles longueurs libres, cette résistance diminue avec l’augmentation de la longueur libre des éprouvettes. Cela
peut être expliqué par :
• Les ondulations importantes des fils de grandes longueurs libres qui provoquent des fric-tions et pressions entre les filaments voisins lors de leur mise en charge progressive ; • Les torsions des filaments qui sont plus importantes pour les grandes longueurs libres et
qui fragilisent les filaments et réduisent par conséquent la résistance en traction du fil ; • Les défauts dans les filaments qui sont statistiquement plus nombreux pour les grandes
longueurs libres et qui peuvent provoquer une grande fragilité du fil.
Ces résultats sont en accord avec les études de Hanisch et al. [87] et Chudoba et al. [38]. On peut déduire que la variabilité structurelle du fil est à l’origine de la variation du comportement mécanique en traction du fil en fonction de sa longueur libre.
La figure 2.10.b et la figure 2.10.c montrent, respectivement, l’évolution de la rigidité P et la déformation globale ∆ en fonction de la longueur libre. Nous constatons que le fil à faible longueur présente une faible pente P , et que cette pente augmente progressivement avec la lon-gueur libre. Les valeurs moyennes de cette caractéristique sont proches pour les fils de lonlon-gueurs de 10 et 15 cm. En revanche, la déformation globale ∆ du fil diminue avec l’augmentation de la longueur libre. Nous pouvons conclure que la longueur a un effet significatif sur l’effort maximal
F1, la déformation globale ∆ et la rigidité du fil P .
(a) (b)
(c)
Figure 2.10 – Evolution des caractéristiques mécaniques du fil en fonction de la longueur libre : (a) F1, (b) P et (c) ∆
c) Influence de l’eau
- Influence de l’alignement des filaments par l’eau sur le comportement mécanique du fil :
Les figures 2.11, 2.12 et 2.13 présentent, respectivement, une comparaison de l’effort maximal
F1, la rigidité P et la déformation globale ∆ pour le fil sec et le fil pré-mouillé. Nous constatons que le fil pré-mouillé, en comparaison avec le fil sec, présente :
• Une faible résistance en traction se traduisant par une perte de l’ordre de 34% de l’effort maximal moyen ;
• Une faible déformation se traduisant par une perte de l’ordre de 38% de la déformation maximale moyenne.
Cependant, le pré-mouillage du fil n’influe pas de manière significative sur la pente P si nous prenons en considération la fluctuation des valeurs. La réduction des caractéristiques méca-niques du fil peut être expliquée par :
• La pénétration de l’eau au sein du fil à cause de la pression que nous lui avons appliquée avec nos doigts, ainsi les filaments internes qui ne sont pas bien protégés par l’ensimage sont donc facilement attaqués par l’eau [88] ;
• La fragilisation de quelques filaments à cause de cette manipulation ;
• La présence des espaces vides entre les filaments provoquée par l’évaporation de l’eau, ce qui diminue la cohésion entre les filaments (nous avons remarqué que la section apparente des éprouvettes P-M est plus grande que celle des autres éprouvettes) ;
• Finalement, nous supposons que l’eau a aussi un effet sur l’ensimage des filaments qui confère au fil ses propriétés mécaniques. Le paragraphe suivant a pour but d’étudier ces hypothèses.
- Influence de l’eau sur l’ensimage et les propriétés mécaniques du fil
• Effet du mouillage de l’éprouvette sans séchage : (Sec/M/M1s/M1m) :
Nous constatons une diminution des trois paramètres F1, P et ∆, dans le cas des éprouvettes mouillées quelques secondes (M) par rapport aux éprouvettes de référence (Sec). L’augmenta-tion de la durée de mouillage soit à une semaine (M1s) ou bien un mois (M1m) a le même effet sur l’effort maximal F1 de l’éprouvette. Il s’agit en effet d’une légère augmentation de F1 par rapport à l’éprouvette référence. Cependant la pente P des éprouvettes (M1m) devient faible, et par conséquent la déformation globale augmente, ce qui leur confère un comportement ductile.
• Effet de séchage de l’éprouvette avant l’essai : (M/M.S et M1s/M1s.S)
Nous remarquons une augmentation de l’effort maximal et une réduction de la pente P des éprouvettes M.S par rapport aux éprouvettes M. Cependant, pour les éprouvettes mouillées pendant une semaine, le séchage n’a pas un effet significatif sur l’effort maximal et la déforma-tion globale, mais permet une réducdéforma-tion de la rigidité P .
En général, l’action de l’eau produit des variations aléatoires sur les propriétés mécaniques du fil. Nous ne pouvons donc pas tirer de conclusions précises sur l’effet du mouillage ou du séchage. Le seul effet systématique est la réduction de la rigidité du fil par la présence d’eau (avec ou sans séchage). De ce fait, contrairement à l’étude d’Aljewifi et al. [86], nous ne pouvons pas dire que l’eau a un effet négligeable sur l’ensimage du fil et par conséquent sur ses propriétés mécaniques. Cependant, pour pouvoir tirer des conclusions satisfaisantes, cette étude doit être complétée par des analyses physico-chimiques et des observations microscopiques.
Figure 2.11 – Effet du pré-mouillage du fil sur l’effort résistant F1 (LL = 10 cm)
Figure 2.12 – Effet du pré-mouillage du fil sur la pente P (LL = 10 cm)
Figure 2.14 – Effet de l’eau sur l’effort résistant F1 (LL = 10 cm)
Figure 2.15 – Effet de l’eau sur la pente P (LL = 10 cm)