ÉTUDE DU COMPORTEMENT DE COMPOSITES À FIBRES DE CARBONE SOUS DIFFÉRENTES VITESSES DE DÉFORMATION

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Submitted on 1 Jan 1985

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ÉTUDE DU COMPORTEMENT DE COMPOSITES À FIBRES DE CARBONE SOUS DIFFÉRENTES

VITESSES DE DÉFORMATION

C. Cazeneuve, J.-C. Maile

To cite this version:

C. Cazeneuve, J.-C. Maile. ÉTUDE DU COMPORTEMENT DE COMPOSITES À FIBRES DE

CARBONE SOUS DIFFÉRENTES VITESSES DE DÉFORMATION. Journal de Physique Colloques,

1985, 46 (C5), pp.C5-551-C5-556. �10.1051/jphyscol:1985571�. �jpa-00224804�

JOURNAL

DE

PHYSIQUE

Colloque C5, supplgment au n08, Tome 46, aoOt 1985 page C5-551

ETUDE DU COMPORTEMENT DE COMPOSITES A FIBRES DE CARBONE SOUS DI F F ~ R E N T E S VITESSES DE DEFORMATION

C . Cazeneuve e t J.-C. Maile

E.T.C.A., 16 bis Avenue Prieur de Za

Gate-d'Or,

94114 ArcueiZ Cedex, France R6sum6

-

La c a r a c t g r i s a t i o n d'un composite carbone/epoxy (T300/5208) en compression dynamique

2

des v i t e s s e s de d6formation pouvant a t t e i n d r e 1000 s - I a i t 6 menie en u t i l i s a n t un d i s p o s i t i f de barres dtHopkinson. Les courbes c o n t r a i n t e - d 6 f o r m a t i o n s o n t d i c r i t e s pour des composites u n i d i r e c - t i o n n e l s . Avec un systsme de chargement classique, 1e comportement de ces materiaux a Bt6 obtenu pour une v i t e s s e de s-1.

Ces r 6 s u l t a t s sont corr616s avec ceux obtenus sous grandes vitesses.

A b s t r a c t

-

The c h a r a c t e r i z a t i o n o f a carbon/epoxy composite (T300/5208) subjected t o dynamic compressive l o a d i n g a t s t r a i n r a t e s up t o 1000 s'l has been conducted using an Hopkinson b a r system. The s t r e s s / s t r a i n curves a r e described f o r u n i d i r e c t i o n a l composites. With a conventional l o a d i n system, t h e behavior o f t h i s m t e r i a l s was obtained f o r a r a t e o f 10'

3

s-1.

T h i s r e s u l t s a r e c o r r e l a t e d w i t h those obtained a t h i g h s t r a i n rates.

1

-

INTRODUCTION

L ' o b j e t de c e t t e Ptude e s t de d 6 c r i r e l e s r 6 s u l t a t s obtenus sur un composite c a r - bone/epoxy u n i d i r e c t i o n n e l sous grandes vitesses de d6formation.

Le composite u n i d i r e c t i o n n e l B t a n t fortement anisotrope, l a s o l l i c i t a t i o n a donc BtB d i r i g 6 e s o i t parallzlement, s o i t perpendiculairement aux f i b r e s .

Des essais en r6gime q u a s i - s t a t i q u e s o n t i t 6 igalement menis sur des Bprouvettes de $me gGomitrie.

Les travaux de compression dynamique sur de t e l s mat6riaux s o n t peu nanbreux e t ne donnent pas t o u j o u r s des r B s u l t a t s concordants ( 1 )

d

( 5 ) .

2

-

LE MATERIAU

Le mat6riau e s t un composite

d

f i b r e s de carbone Toray T300 (3000 f i l a m e n t s ) e t

d

r g s i n e epoxy Narmco 5208 transform6

d

1 'autoclave

d

p a r t i r de pr6imprPgnis.

Des 6prouvettes c y l i n d r i q u e s sont usinEes

2

p a r t i r de plaques u n i d i r e c t i o n n e l l e s . La hauteur des gprouvettes e s t de 5 mm. Leur diamstre e s t de 20 mm pour l e m t 6 - r i a u "sens t r a v e r s " avec l e s f i b r e s d i r i g 6 e s perpendiculairement

d

l a s o l l i c i t a -

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1985571

C5-552 JOURNAL DE PHYSIQUE

t i o n . Pour l e t n a t i r i a u "sens l o n g " avec l e s f i b r e s d i r i g 6 e s para1 l s l e m e n t

5

l a s o l l i c i t a t i o n , l e diamstre e s t de 7,8 mm.

Le composite comporte 65 % de f i b r e s en volume.

3

-

DETAILS EXPERIMENTAUX

En regime quasi s t a t i q u e , l e s essais sont r h a l i s e s

1

v i t e s s e de d6formation cons- t a n t e

2

l ' a i d e d'une machine hydraulique MTS de c a p a c i t 6

l o 5

N e t d'un extenso- m6tre.

En r6gime dynamique, l e s essais sont e f f e c t u i s

2

l ' a i d e de l a technique bas6e s u r des barres d'Hopki nson.

Dans c e t t e derniGre technique d'essais, une onde de compression e s t g6n6rPe p a r 1 'impact d'un p r o j e c t i l e propuls6 p a r un canon

2

a i r .

L 1 6 c h a n t i l l o n e s t i n t e r c a l 6 e n t r e l e s 2 barres q u i s o n t 6quip6es de jauges a f i n de r e l e v e r l e s ondes incidentes, r 6 f l 6 c h i e s e t transmises

5

p a r t i r desquel l e s se f a i t 1 e t r a i t e m e n t .

La d u k e du chargement a t o u j o u r s 6 t 6 constante (100 p s ). Par contre, son i n t e n - s i t 6 a 6 t 6 m o d i f i 6 e en j o u a n t sur l a v i t e s s e du p r o j e c t i l e .

De p l u s un ensemble d ' a c q u i s i t i o n e t de t r a i t e m e n t permet l ' e x p l o i t a t i o n rapide des r 6 s u l t a t s .

L 1 i n t 6 g r a t i o n du s i g n a l r P f l 6 c h i permet de c o n n a i t r e 1 1 6 v o l u t i o n de l a d6formation de 1 '6 c h a n t i l l o n dans l e temps. Le t r a i t e m e n t du s i g n a l transmis donne 1 ' 6 v o l u t i o n de l a c o n t r a i n t e au s e i n de 1 'e c h a n t i l l o n dans l e temps.

A i n s i , 1 'analyse e t l e recalage des EvGnements dans l e temps permettent d ' o b t e n i r 1 a courbe c o n t r a i nte-d6formation.

Les essais pr6sent6s i c i s o n t r E a l i s6s

2

l a temp6rature ambiante.

4

-

RESULTATS

A l a d i f f 6 r e n c e du r6gime quasi s t a t i q u e ( l o m 3 S-1) e t du r6gime avec v i t e s s e s i n t e r m e d i a i r e s ( 1 s -

1,

l a courbe c o n t r a i n t e - d e f o r m a t i o n n ' e s t pas l i n 6 a i r e e t presente 3 phases ( f i g u r e s nos 1 e t 2 ) en r6gime dynamique ( 1 0 ' ~

-

10+3 S-1) :

-

Une phase i n i t i a l e l i n 6 a i r e

E l l e correspond

i

l a mise en charge.

L 1 6 t a t de c o n t r a i n t e s t a b l e n ' e s t pas encore P t a b l i au s e i n du mat6riau.

Dans c e t t e phase, t o u t e i n t e r p r e t a t i o n des ph6ncnnGnes e s t d e l i c a t e .

-

Une phase i n t e r m 6 d i a i r e l i n g a i r e de pente p l u s f a i b l e . Le chargement e s t stable.

-

Une phase f i n a l e de r u p t u r e ou de recouvrance pour l e s mat6riaux non rompus.

Pendant l a recouvrance, il y a r e s t i t u t i o n des p r o p r i 6 t 6 s du mat6riau sous 1 ' e f f e t de 1 ' i n t e r r u p t i o n du chargement.

La comparaison des pentes des courbes ou "pseudo m d u l e s " e n t r e l e s r6gimes quasi s t a t i q u e e t dynamique se f a i t en considgrant pour l e cmportement dynamique l a pente de l a phase i n t e r m 6 d i a i r e .

Ce module ne v a r i e pas pour l e mat6riau "sens travers". Par contre, i l e s t 40 % sup6rieur pour l e m t 6 r i a u "sens l o n g " sous grandes v i t e s s e s de dlformation.

I I

I

RUPTURE

--- ^I

I I

I

SENS LONG

I

SENS TRAVERS

I

1

CONTRA1 NTE

DEFORMATION i

CONTRAI NTE

I

DEFORMATION

1

I

(MPa)

I

( % )

I

(MPa)

I ( % I I

I I 1 I I

I I I I I I

I

REGIME

I I I I I

1

STATIQUE

1

791 + 77

1

2,9

2

^0,3

¹

267 + 35

1

4,6

2

0,4

1

1

= l O 3 s

1 - I 1 - 1 I

I

REGIME I 1 1 5 0

1

2,3

1

340

1

4,s

1

1

DYNAMIQUE

I t

= 380 S-I

I i =

620 s-1

I

I I I I I I

TABLEAU

N o

1 : R 6 s u l t a t s concernant l a r u p t u r e en r6gime dynamique e t quasista- t i q u e .

La r e s i s t a n c e

2

l a r u p t u r e e s t fortement modifi6e, il y a un g a i n d'au m i n s 25 % e n c o n t r a i n t e en r6gime dynamique ; l a d6formation r e s t e i d e n t i q u e (tableau n" I ) .

Le comportement obtenu en r6gime dynamique confirme l a f o r t e a n i s o t r o p i e du m t 6 - r i a u ( f i g u r e no 3).

Dans l e cas d'une rupture, e l l e se p r o d u i t dans des c o n d i t i o n s t r s s d i f f 6 r e n t e s ( t a b l e a u n' 1 ).

En compression dynamique, 1 ' i v o l u t i o n du comportement pour d i f f 6 r e n t e s v i t e s s e s de d6formation e s t repr6sent6e pour l e mat6riau "sens t r a v e r s " sur l a f i g u r e no 4 :

-

l a phase i n t e r m g d i a i r e e s t d ' a u t a n t p l u s 6tendue que l a v i t e s s e e s t 6levEe mais l e module r e s t e constant.

-

Pour l e s mat6riaux non rompus, l a c o n t r a i n t e a t t e i n t e pour une d i f o r m a t i o n donnee ( f i g u r e n o 5 ) e t l ' a i r e de l a boucle d 1 h y s t 6 r 6 s i s augmentent l i n g a i - rement avec l a vitesse. Par contre, pour l e s m t 6 r i a u x ayant a t t e i n t l a rup- t u r e , ces p r o p r i i t 6 s r e s t e n t quasiment constantes.

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JOURNAL DE PHYSIQUE

5

- CONCLUSIONS

Ces travaux ont permis d'approcher l e s l o i s de comportement

d ' u n

composite unidi- rectionnel carbone/epoxy en rdgime dynamique. La rdsistance 2 l a rupture e s t supd- r i e u r e de plus de

25 %

2 c e l l e qui a P t P relevde en rdgime quasistatique.

I1 r e s t e B examiner s a i l e s t possible de donner une s i g n i f i c a t i o n physique au dgphasage relev6 e n t r e les courbes de charge e t de d6charge des composites t e s - t6s.

Les e s s a i s ultPrieurs doivent en outre conduire 1 Ptudier des composites 2 empile- ment plus complexe (empilement bidi rectionnel e t isotrope).

FIGURE ' N

1 :

Sens long

;

comportement en regi quasistatique ( l o m 3 s - l ) .

me dynamique (230 s-'1 e t

1

contrainte ( m a )

FIGURE It0 2

:

Sens travers

;

comportement en regime dyna-

mique (400 s-1) e t quasi-

s t a t i q u e (10-3 s - 1 ) .

CONTRAINTE (MPa)

;

-

^{2 2 0 s-'}

6 0 0 -

Sens travers

FIGURE No 3 :

Comportement pour une &me vitesse de deformation des materiaux sens long e t sens travers.

DEFORMATION ( X )

FIGURE No 4 :

Sens travers

;

comportement sous differentes vi tesses de d6for-

mation.

JOURNAL

DE

PHYSIQUE

CONTRAINTE

[

^(ma)

1

VI'IESSE DE DEFORMATION

FIGURE

N* 5 : E v o l u t i o n de l a c o n t r a i n t e en f o n c t i o n de l a v i t e s s e de deforma- t i o n pour une deformation donnee (materiau sens long).

6

-

REFERENCES

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