III III Caractérisation de l’assemblage et de ses constituants
V.5 Couplage diffusion / mécanique
V.5.2 Vieillissement sous contrainte
L’expérience décrite ci-dessus permet de mesurer les conséquences d’un endommagement sur la pénétration d’eau. De manière similaire, les essais sur éprouvettes haltères vieillies avaient permis de mesurer les consé- quences du vieillissement sur l’endommagement. Dans les deux cas, l’influence de l’un de ces phénomènes sur l’autre s’était avérée relativement faible. Mais ces différentes expériences ne traitent pas du couplage possible entre les deux phénomènes, qui peut accélérer ces phénomènes et conduire à une détérioration beaucoup plus rapide que prévue16.
Un premier montage a été utilisé afin de mesurer l’évolution de la courbe de gravimétrie d’un échantillon soumis à un effort constant (FIG. V.54). Ce montage est constitué de deux supports fixes, reliés par trois tiges,
le long desquelles peut se déplacer un troisième support. Les éprouvettes sont placées dans les mors situés sur le support mobile et le support fixe respectivement. Le support mobile est placé sur le rebord d’un récipient d’eau à 45◦C. Une masse est posée sur le dernier support fixe (m = 5 kg). Une force constante m ∗ g est donc appliquée en permanence à l’échantillon. Selon la section de l’échantillon choisi, la contrainte sera ainsi plus ou moins importante. Pour une éprouvette haltère (S = 5 mm2), la contrainte est de 10 MPa, alors que pour les plaques utilisées en gravimétrie (S = 10 mm2), la contrainte est de 5 MPa.
Les échantillons sont mis ainsi mis à vieillir et les courbes de gravimétrie sont relevées (FIG. V.55). L’évolution de w(t) est donnée en fonction de√t/(φe) de manière à pouvoir comparer les essais réalisés sur des géométries
différentes. Les mesures effectuées sur les plaques (5 MPa) et les éprouvettes haltères (10 MPa) sont superpo- sées. Elles sont aussi superposables aux courbes de référence jusqu’à w(t) ≈ 2. Puis, la masse augmente de manière linéaire en fonction de√t. L’application d’une force constante sur l’échantillon provoque un fluage
16
a) b)
FIG. V.54 – Montage utilisé pour le vieillissement sous contraintes
de l’éprouvette. L’éprouvette s’allonge dans le sens de l’effort appliqué, dans le sens de la longueur ici, alors que l’épaisseur et la largeur diminuent (effet de striction). Les échantillons ayant subi les vieillissements sous contrainte finissent par se micro-fissurer et rompre pour des valeurs de w(t) inférieures à 3,5 %.
t /e
w
0 200 400 600 800 1000 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5Immersion - 45°C
immersion plaque - référence Haltère référence
Haltère sous contrainte (10 MPa) Plaque (5MPa)
V.6. BILAN 169
La première partie de la courbe (FIG. V.55) est identique pour les échantillons soumis à une contrainte et pour
les échantillons de référence. La diffusion initiale est donc indépendante de la sollicitation extérieure. Cela correspond à la partie linéaire de la courbe de diffusion, celle de la phase liée aux sites polaires du polymère. Les courbes obtenues sont ainsi superposées jusqu’à w(t) ≈ 2%, ce qui correspond justement à la "saturation" de la phase liée.
À ce seuil d’environ 2% d’eau dans le polymère, la chute de propriétés mécaniques est d’environ 30%. Les efforts appliqués restent inférieurs au seuil d’élasticité du matériau sain (FIG. III.12), mais ils se rapprochent de celui des matériaux vieillis. Cela entraîne une microfissuration du matériau après vieillissement.
La seconde partie de la courbe est pratiquement linéaire jusqu’à 3,5%. Cette valeur est supérieure à la valeur de
w∞mesurée pour ces conditions de vieillissement. Cet écart indique qu’une partie de l’eau qui a pénétré dans le matériau a une origine différente de celle due aux modèles de diffusion présentés précédemment. La seule présence des microfissures ne suffit pas à accélérer la cinétique (FIG. V.53), même si la valeur de w∞peut être légèrement augmentée. Dans le cas présent, ces microfissures sont soumises à un effort extérieur et leur taille va pouvoir augmenter, d’autant plus qu’au fur et à mesure que l’eau va diffuser, les propriétés mécaniques du matériau vont être amoindries. La cinétique de diffusion qui en découle s’en trouve accélérée.
t /e
0 50 100 150 200 250 300 350 400 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0Désorption 45°C
immersion plaque Haltère sous contrainte Haltère référence(w
0 0-w
)/
(w
0 0-w
0)
FIG. V.56 – Courbes de désorption obtenues pour les échantillons vieillis
sous contraintes
Les éprouvettes testées au préalable sont alors séchées dans des étuves à 45◦C. Les courbes gravimétriques de désorption sont enregistrées et représentent l’évolution de (w∞− w(t)) / (w∞− w0) en fonction de
√ t/e
(FIG. V.56). Les écarts obtenus entre les courbes de désorption des éprouvettes haltères référence et les plaques
sont dues à une désorption 2D dans le cas des éprouvettes haltères.
Dans le cas des éprouvettes vieillies sous contrainte, la désorption est plus rapide que celle observée pour les éprouvettes de référence. L’eau présente dans les microfisures peut diffuser rapidement vers l’extérieur et s’ajoute donc à l’eau diffusant dans la matrice.
V.6
Bilan
L’étude du vieillissement hygrothermique sur les adhésifs massiques a mis en évidence une cinétique de diffu- sion de type Langmuir, c’est-à-dire à deux phases. La première phase est caractérisée par des molécules d’eau
qui diffusent dans le polymère en se liant aux sites polaires de celui-ci, alors que la seconde phase est constituée de molécules d’eau qui n’ont pas d’interactions directes avec la matrice.
Ce type de diffusion peut être modélisé à l’aide de quatre coefficients : D, α, β et w∞. Les trois premiers dépendent de la température selon une loi de type Arrhénius. Le dernier varie linéairement en fonction de la température et de l’humidité. Il est alors possible de décrire la diffusion dans l’adhésif quelles que soient les conditions de vieillissement appliquées au matériau.
Le vieillissement se traduit mécaniquement par une baisse des propriétés mécaniques et de la transition vitreuse. Ces chutes sont en fait proportionnelles à la quantité d’eau présente dans le matériau.
La désorption suit une loi de Fick, mais elle n’est pas entièrement réversible. Cependant, en dessous de la température de transition vitreuse, les propriétés mécaniques sont pratiquement entièrement recouvrées. Il est donc possible de prévoir a priori, compte tenu des conditions de vieillissement d’un adhésif massique, les évolutions des propriétés mécaniques de celui-ci.
Chapitre VI
Vieillissement des assemblages collés
Sommaire
VI.1 Gravimétrie . . . 172
VI.2 Essais mécaniques . . . 173
VI.2.1 Propriétés mécaniques locales . . . 173
VI.2.1.1 Écriture du modèle . . . 173
VI.2.1.2 Méthodologie . . . 174
VI.2.2 Essais de Torsion . . . 175
VI.2.2.1 Propriétés mécaniques . . . 175
VI.2.2.2 Évolution des faciès de rupture . . . 176
VI.2.2.3 Évolution de la zone de rupture adhésive . . . 178
VI.2.3 Essais Arcan . . . 179
VI.2.3.1 Essais de cisaillement . . . 179
VI.2.3.2 Modèle de Fick . . . 181
VI.2.3.3 Évolution des faciès de rupture . . . 182
VI.2.4 Essais de cisaillement simple . . . 182
VI.3 Analyse microstructurale . . . 183
VI.3.1 Effet de l’eau sur la microstructure . . . 183
VI.3.1.1 Observation MEB . . . 183
VI.3.1.2 Calcul thermodynamique . . . 185
VI.3.2 Essais in situ au MEB . . . 186
VI.3.2.1 Substrats en aluminium . . . 186
VI.3.2.2 Substrats en acier . . . 187
VI.3.2.3 Bilan . . . 187
VI.4 Réversibilité . . . 188
VI.4.1 Bilan des essais mécaniques . . . 188
VI.4.2 Faciès de rupture . . . 188
VI.5 Bilan . . . 189
Les résultats obtenus sur les échantillons massiques ont permis de déterminer les lois de diffusion dans le polymère, ainsi que l’impact de cette diffusion sur les propriétés mécaniques de l’adhésif. Ces résultats vont pouvoir à présent être utilisés dans une certaine mesure pour les assemblages collés. En effet, la diffusion et ses effets dans les zones d’interphase ne sont pas connus1.
1
VI.1
Gravimétrie
Des essais gravimétriques ont pu être réalisés sur les assemblages "allégés" (FIG. IV.26 page 123). Ils avaient pour objectif de déterminer si la diffusion dans un assemblage serait très différente de la diffusion dans le polymère seul.
L’échantillon élaboré a été vieilli en immersion à 45◦C. En parallèle, des feuilles d’aluminium de dimensions égales à celles de l’assemblage ont elles aussi été vieillies et pesées régulièrement. La feuille d’aluminium s’oxyde avec le vieillissement, son aspect miroir disparaît en même temps qu’une pellicule blanche se déve- loppe à sa surface.
La masse initiale de colle est donnée par la masse initiale de l’assemblage, m0, à laquelle est retranchée deux fois la masse de la feuille d’aluminium non vieillie, m0alu. La masse de colle vieillie est obtenue en retranchant
2∗m0aluà la masse de l’assemblage à l’instant t, m(t). Pour tenir compte de l’oxydation des surfaces extérieures des feuilles d’aluminium, il faut aussi retrancher à m(t) la variation de masse de la feuille d’aluminium mis à vieillir en parallèle, malu(t) − m0alu.
L’écriture du paramètre qui permet de suivre et de tracer la courbe de gravimétrie, wJ C, s’écrit donc comme la variation de la masse de colle (EQU. VI.1). Cette équation suppose que les deux faces intérieures des feuilles d’aluminium, celles en contact avec le polymère, ne s’oxyderont pas avec le vieillissement.
wJ C(t) =
m(t) − 2 ∗ m0
alu− (malu(t) − m0alu) m0− 2 ∗ m0alu − 1 ∗ 100 = m(t) − m 0 alu− malu(t) m0− 2 ∗ m0alu − 1 ∗ 100 (VI.1) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 Points expérimentaux Langmuir 2D Fick 2D
Vieillissement d'un joint collé en immersion à 45°C
w% /w00
t1/2 (s1/2)
FIG. VI.1 – Courbe de gravimétrie obtenue pour un assemblage "allégé"
(FIG. IV.26)
La représentation de wJ C en fonction de √
t est comparée avec les modèles de Fick et de Langmuir à deux
VI.2. ESSAIS MÉCANIQUES 173
Ces deux modèles et les courbes qui en découlent supposent donc que la diffusion n’a lieu que dans le polymère. Le modèle de Fick n’est pas le plus adapté compte tenu des résultats obtenus, alors que la diffusion à deux phases de Carter et Kibler permet de parfaitement reproduire la courbe expérimentale.
Ces résultats confirment donc la pertinence du modèle de diffusion pour des géométries différentes. Ils confirment que les mesures gravimétriques sur des assemblages sont réalisables, mais surtout que la diffusion ne concerne que le polymère puisque les points expérimentaux sont bien confondus avec les modèles qui supposent une absence de diffusion aux interfaces ou dans l’interphase.
À partir de ces résultats, il est donc envisageable de supposer que les modèles de diffusion déterminés sur les éprouvettes massiques sont transposables aux assemblages. Les résultats obtenus au chapitre IV vont donc pouvoir être réutilisés.
VI.2
Essais mécaniques
Les essais mécaniques choisis sont tout naturellement les mêmes que ceux qui avaient servi à caractériser la structure à l’état initial, à savoir principalement les essais ARCAN, en cisaillement ainsi que les essais de torsion sur les cylindres. Les épaisseurs de colle sont alors de l’ordre de 300 µm pour toutes les éprouvettes. Seul le vieillissement à 45◦C en immersion a été étudié. C’est une des conditions pour laquelle le vieillissement est le plus rapide, sans conduire a priori à des phénomènes d’hydrolyse, et l’humidité est parfaitement contrôlée. Les pesées étant malheureusement impossibles, les courbes de gravimétrie sont inaccessibles.
Les éprouvettes qui ont été testées n’étaient pas des assemblages mixtes. Les substrats étaient donc soit en alu- minium, soit en acier. Il a ainsi été possible de mesurer les différences de comportement vis-à-vis de l’humidité entre les deux types de métaux.
Pour chacun des essais, les modules et les contraintes à rupture ont été mesurés après un certains temps de vieillissement et comparés aux valeurs de référence présentées au chapitre III. Les évolutions des propriétés mécaniques sont alors représentées en fonction de√t. Les faciès de rupture ont eux aussi été analysés.