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COMPORTEMENT DES MATERIAUX COMPOSITES A FIBRES COURTES EN MILIEU HUMIDE.

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3ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012, http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 114

COMPORTEMENT DES MATERIAUX COMPOSITES A FIBRES COURTES EN MILIEU HUMIDE.

Mansouri Lilla1, Djebbar Arezki2

1: Laboratoire de Mécanique, Structure, Energétique (LMSE), Génie Mécanique, Université Mouloud Mammeri, BP17RP Tizi-Ouzou (Algérie), mansouri_lila@yahoo.

2: Laboratoire de Mécanique, Structure, Energétique (LMSE), Génie Mécanique, Université Mouloud Mammeri, BP17RP Tizi-Ouzou (Algérie), ar.djebbar @yahoo.

Résumé :

Dans ce travail, nous nous intéressons seulement à l'étude du comportement mécanique d’un composite constitué d’une matrice polypropylène renforcé de 40 % en masse de fibres de verre courtes chargé à 2%

en talc. Ils sont obtenus sous forme de plaques par un procédé d’injection, qui conditionne inévitablement la répartition des fibres et par conséquent le comportement des matériaux étudiés. Pour cela, plusieurs échantillons ont été découpés selon deux directions transversales et longitudinales. Sur ces dernies, l’effet du vieillissement hydrique en eau distillé sur les caractéristiques mécanique est abordé en sollicitations statique et fatigue. Les essais statiques en flexion trois points jusqu’à rupture nous permet de choisir les niveaux de sollicitation pour la conduite des essais de fatigues à flèche imposé. En fatigue des courbes d’endurance en fonction du nombre de cycles sont tracées en adaptant des critères de fin d’essai N5 , N10, N20 qui représentent respectivement une chute de rigidité de 5,10 et 20%. Une interprétation des équations des courbes de Wöhler définies pour les critères de fin d’essai retenus, nous permet de définir la cinétique d’endommagement du matériau. Les résultats obtenus ont mis en évidence l’influence de l’humidité sur le comportement mécanique et la durée de vie du matériau étudiés.

Mots clés : composite, vieillissement, flexion trois point, fatigue, endommagement.

1 Introduction

L’utilisation croissante des composites thermoplastiques renforcés par des fibres de verre (TPR) dans l’industrie automobile est liée à leurs nombreux avantages. Leur résistance exceptionnelle à la fatigue et au choc (absorbeurs d’énergie), leurs caractéristiques et propriétés mécaniques, ils sont peu chers, ainsi que leur faible poids comparativement aux alliages d’Aluminium sont autant d’éléments favorisant leur utilisation pour une pénétration des applications structurales dans l’industrie automobile notamment. A titre d’illustrations, citons des équipements tels que la planche de bord, la face avant technique et les panneaux de portes développés dans la perspective de substitution métal/composite. Ces équipements ont été développés pour répondre aux exigences d’allégement des véhicules, tout en améliorant la tenue en service des structures. [1,2]

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L’objet du présent travail est l’étude du comportement sous sollicitations statique et cyclique en flexion d’un composite à fibres de verres discontinues renforçant une matrice en polypropylène en tenant compte de l’effet de vieillissement.

2 Partie expérimentale

2.1 Présentation du matériau étudie

: Nous avons étudié un composite obtenu par injection sous forme de plaques de dimensions 600x200x4 mm3. Le point d’injection se trouvant au centre du moule. Il est constitué d’une matrice thermoplastique (PP), renforcée par des fibres de verre E discontinues (40% en volume), chargé de 2% en talc. C’est la charge la plus utilisée dans les thermoplastiques [3].

Le fait de renforcer le polypropylène avec des fibres de verre discontinues (40% en volume), permet de lui apporter une grande stabilité dimensionnelle liée à la limitation des retraits ainsi que la très sensible augmentation des caractéristiques mécaniques, notamment de la rigidité à haute température [4].

Un minimum de cinq éprouvettes est testé en statique monotone. Par contre en fatigue le même nombre d’éprouvettes est pris pour chaque niveau de sollicitation.

2.2 Techniques

Le vieillissement humide a été réalisé par immersion à 40°C dans l’eau distillée sur les éprouvettes longitudinales afin de déterminer les cinétiques de sorption d’eau et ses paramètres : Taux d’absorption W(%), Coefficient de diffusion D.

Afin de caractériser le vieillissement, des essais statique en flexion trois points ont été réalisés sur une machine d’essai universelle de typeThumier modèle TH3630 10-320-2003 piloté par un micro-ordinateur sur des échantillons non vieillis et vieillis.

L ‘essai statique permet d’accéder aux caractéristiques mécaniques du matériau déterminées par les formules 1,2 et 3. Nous rappelons quelques formules de résistance des matériaux exprimant ces grandeurs mécaniques :

2 2 3

bh L Pe e

(1)

2

. 6

L h Ye

e

(2)

Y P bh Eapp L

33

4 (3)

e : la contrainte normale élastique ; e : la déformation relative élastique.

2.2.1 Essai élastique

Des essais élastiques ont été effectués sur une seule éprouvette de longueur importante. Ce qui nous permettra de tenir compte de l’effet du cisaillement transverse. Afin de déterminer le module longitudinal E11 et de cisaillement transversal G12 nous avons utilisé deux méthodes complémentaires.

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a. Méthode de Fisher :

Cette méthode consiste à considérer deux élancements sur une même éprouvette. Fisher propose ces deux formules :

B C b K E K

4

2 11 1

A C b

K

G K

1 2

12 8

3

b. Méthode de Fisher modifiée :

Consiste à prendre plusieurs élancements. La détermination des module E11 et G12 est obtenus selon l’expression suivante:

11 2

12

1 18

. 1 1

E L

h G

Eapp  



Nous voyons bien que la relation est de la forme : y = ax + b.

Nous pouvons déduire les modules d’élasticité longitudinal E11 et transversal G12 par :

2.2.2 Essai de fatigue :

Ces essais sont réalisés sur une machine de fatigue dynamique travaillant à déplacement imposé en modes de flexion encastrée /libre en cycle symétrique (R=-1). Les essais sont conduits à flèche constante calculée par la relation (9).

3 4 3 appbh E Y PL

3. Principaux résultats et Discussions

3.1 Comportement sous chargement statique :

L’essai de flexion trois point jusqu’à rupture nous permet de tracer la courbe force/déplacement de nos échantillons.

Le dépouillement des courbes nous permet de déterminer : le module d’élasticité apparent (Eapp), la contrainte à rupture(R) du matériau. Les résultats obtenus des essais statiques monotones sont résumés dans le tableau 1.

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Les résultats de flexion trois points donnés dans le tableau 1 montrent que le module et la contrainte maximale des éprouvettes longitudinales sont nettement supérieurs à ceux des éprouvettes transversales. Les mêmes résultats ont été trouvés avec d’autres travaux de recherche [5].

Tableau 1- Caractéristiques mécaniques en statiques.

Figure 1 : Représentation des caractéristiques mécaniques.

Cette différence peut être expliqué par l’orientation des fibres lors de la mise en œuvre : en sens longitudinal, la majorité des fibres se retrouvent parallèle au sens d'application de la charge, donnant un caractère plus résistant et rigide au composite. Au contraire, en sens transversal, la plus grande partie des fibres est perpendiculaire à la sollicitation et c'est la matrice, moins résistante qui doit reprendre une partie des efforts. Néanmoins l’inverse est à signaler concernant la déformation. Pour les éprouvettes vieillies, nous avons constaté une diminution des valeurs des caractéristiques mécaniques (chute de 87% e, 64%

de R et 86% du module apparent), qui peut être expliqué par l’effet du vieillissement (Voir figure 1).

L’analyse des résultats obtenus lors de cet essai nous a permis de choisir le domaine élastique utilisé lors des essais élastiques.

a. Résultats du modèle de Fisher : L’évolution de module longitudinal et de cisaillement transversal sont regroupées nous permet de tracer les courbes données par les figures 2 et 3.

Nous remarquons la même évolution des deux modules dans les deux sens. Le module E11 augmente avec la variation de l’élancement puis décroit au plus grand élancement, et le contraire pour le G12. Les résultats obtenus par la méthode de Fisher sont plus importants par rapport à ceux de Fisher modifié.

Nous constatons à partir des figures 4 et 5 l’existence d’un palier (détail A). Ce dernier montre que le module Eapp ne change pas (cas de la flexion pure). Donc E11 est d’autant plus proche du module Eapp du matériau testé, quand la contribution de cisaillement est faible. La détermination du module E11 est prise au niveau du palier et non au niveau de l’intersection de la droite avec l’axe des ordonnées.

εe σe[MPa] εR σR[MPa] Eapp[MPa]

Etat non vieilli Tansversal

0,0122 34,74 0,057 77,25 2786,44

Etat non vieilli Longitudinal

0,0107 86,96 0,027 159,44 8421,56

Etat vieilli Longitudinal

0,012 72,31 0,023 111,40 5967,85

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Figure 2 : Evolution de E11 et G12 en fonction Figure 3 : Evolution de E11 et G12 en fonction de l’élancement dans le sens transversal. de l’élancement dans le sens longitudinal.

b. Résultats du modèle de Fisher modifié

Figure 4 : Courbe d’essai élastique pour éprouvette Figure 5 : Courbe d’essai élastique pour éprouvette transversale de modèle de Fisher modifié. longitudinale de modèle de Fisher modifié.

3.2 Comportement sous chargement de fatigue : Nous avons choisis de tracer les diagrammes de Wöhler pour les critères de fin d’essai5% 10% et 20%. Les figures 7 et 8 donnent respectivement les courbes d'endurance des éprouvettes à l’état non vieilli et vieilli.

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BLogNx A

max 

 (10)

max est la déformation maximale imposée, Nx, le nombre de cycles qui correspond à une perte de raideur de x%.

A, la valeur (extrapolée) de la déformation donnant une perte de raideur de x%(5% ,10% et 20%) pour un demi cycle.

B : est la pente de la droite d’endurance. Homogène à une vitesse, cette valeur correspond à la cinétique d’endommagement.

L’analyse des résultats obtenus, montre une grande dispersion de la durée de vie. Cependant, il ressort que l’ensemble des résultats converge vers l’unité des faible nombre de cycles en raison du type de sollicitation (R=-1). L'analyse du comportement en fatigue d'un matériau repose donc sur la connaissance des deux paramètres de l’équation 10, A et B. Une bonne tenue en fatigue s'obtient avec une valeur de A élevée associée à une valeur de B aussi faible que possible.

0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007

0 1 2 3 4 5 6 7

Log(N)

Déformation

0 0,003 0,006

0 1 2 3 4 5 6

Log (N)

Déformation

Figure 7: Courbe de Wöhler des éprouvettes non vieillies. Figure 8 : Courbe de Wöhler des éprouvettes vieillies.

Si on compare les valeurs de A et B des éprouvettes non vieillies et vieillies, nous pouvons voir sur la figure 9 que les composites vieillis résistent moins bien à l'accumulation des efforts (B grand).

Comme nous avons pu constater également la diminution de nombre de cycles N.

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Figure 9: Comparaison des résultats obtenus lors de l’essai de fatigue.

La comparaison des résultats de l’état non vieilli et vieilli montre, que la présence de l’eau au sein du matériau composite (fibres/polymère) provoque une détérioration des propriétés mécaniques. On sait qu'au cours d'un vieillissement hygrothermique, la présence de molécules d'eau dans un composite à matrice polymère peut notamment dégrader les liaisons à l'interface renfort-matrice et entraîner ainsi une dégradation irréversible des propriétés du composite. [7]

L’eau diffuse dans le matériau à travers la matrice le long de la fibre (interface fibre-matrice) par présence de microvides, les fibres jouent un rôle d’écran ce qui peut entraîner une dégradation de l’interface, diminuant ainsi les caractéristiques mécaniques du matériau.

4 Conclusion

Dans ce travail, l’étude de la répartition des fibres dans la matrice induite par le procédé d’injection a permis de comprendre le caractère anisotrope de ces matériaux. Les composites à matrice polypropylène supportent des déformations importantes dans le sens transversal. L’analyse et la qualité des résultats obtenus, permettent de conclure que le composite reste un matériau assez complexe à définir vu la différence entre les caractéristiques des éléments constitutifs.

Pour une meilleure connaissance du matériau, il faut encore voir son comportement dans le temps sous différentes conditions et dans différents milieux.

Malgré que l’objectif de ce travail est plus au moins atteint, il nous a ouvert beaucoup de perspectives, qui, si nous nous pouvons les prospecter, nous permettent d’enrichir nos résultats et de mieux assimiler les différents phénomènes rencontrés lors de cette étude.

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5 Références

[1] Hedi NOURI ; « Modélisation et Identification de Lois de Comportement avec Endommagement en Fatigue Polycyclique de Matériaux Composite à Matrice Thermoplastique’. Laboratoire de Physique et Mécanique des Matériaux (LPMM). École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers. juin 2009.

[2] J. PAUPERT, A. DAHOUN, C. G’SELL, J.M. HIVER ; ‘Caractérisation du comportement plastique en traction uniaxiale des polypropylènes chocs. Laboratoire de physique des matériaux’. (UMR- CNRS 7556) Ecole des Mines de NANCY, septembre 2004.

[3] D. FRIHI, H. SATHA, K. MASENELLI, G. VIGIER ;‘Comportement mécanique du polypropylène chargé par du talc de taille sub-micronique : Effet de la taille des particules’. JET 2008 MAROC.

[4] Eric Ségarda, Salim Benmedakhene, Abdel Laksimi et Dawei Laï ; ‘Influence de l’interface fibre/matrice sur le comportement jusqu’à rupture d’un polypropylène renforcé de fibres de verre courtes’. Mécanique & Industries, AFM, EDP Sciences 2005.

[5] OURAHMA Ali ; ‘Etude du comportement en fatigue de composites à fibres de verres discontinus renforçant une matrice en polypropylène’. Ecole Centrale de Lyon, DEA Matériaux Polymères &

Composites. 2004.

[6] Lucien FIORE ; ‘Contribution à l’étude du comportement en fatigue de matériaux composites à renfort verre unidirectionnel’, Ecole de centrale de LYON, Novembre 1988.thèse doctorat.

[7] A. NACERI et A. VAUTRIN ; ’Caractérisation du comportement mécanique d'un composite (tissu de verre/résine époxyde) à différentes périodes de vieillissement hygrothermiques’. Afrique SCIENCE 02(2) (2006) 131 – 141.

Références

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