ÉTUDE DU COMPORTEMENT DES COMPOSITES À FIBRES DE VERRE/ÉPOXY EN CISAILLEMENT À GRANDE VITESSE DE DÉFORMATION

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ÉTUDE DU COMPORTEMENT DES COMPOSITES

À FIBRES DE VERRE/ÉPOXY EN CISAILLEMENT

À GRANDE VITESSE DE DÉFORMATION

C. Chiem, Z. Liu, J. Ramousse

To cite this version:

C. Chiem, Z. Liu, J. Ramousse. ÉTUDE DU COMPORTEMENT DES COMPOSITES À FIBRES

DE VERRE/ÉPOXY EN CISAILLEMENT À GRANDE VITESSE DE DÉFORMATION. Journal

de Physique Colloques, 1985, 46 (C5), pp.C5-535-C5-542. �10.1051/jphyscol:1985569�. �jpa-00224802�

JOURNAL

DE PHYSIQUE

Colloque C5, supplément au n08, Tome 46, aoQt 1985 page C5-535

ÉTUDE

DU COMPORTEMENT DES COMPOSITES

A

FIBRES DE V E R R E / ~ P O X Y EN C I S A I L L E M E N T

A

GRANDE V I T E S S E DE DÉFORMATION

C.Y: Chiem, Z.G. Liu et J.P. Ramousse

EcoZe Nationale Supérieure de Mécanique, Laboratoire des Sciences des Matériaux de l a Mécanique, Groupe DYNAMAST, 44000 Nantes, France

Résunié

-

Cette étude du comportemat au choc des composites à résine é y u t i l i s e l e principe des barres de Kolsky en torsion modifiées pour l e cisaille- ment. Une description succincte de l a méthode e s t f a i t e . Elle e s t suivie de résultats expérimentaux avec une discussion sur l e s problèmes rencontrés au plan 'rimental. Il semble que l a vitesse de d é f o m t i o n critique autour de 2000

r

p

,

l e probl&me l e plus b p r t a n t au niveau du comprteii~lit aux grandes vitesses de défonmtion des c o n p s i t e s U.D. à m t r i c e de résine. Des problèmes de délaminage qénéralisé, de cisaillement interlaminaire e t d'élé- vation de tenp?érature en cours de déformation à qrande vitesse s e sont p s é s .

Abstract

-

The principle of torsional Kolsky bars modified for s-le shear t e s t s are applied for t h i s study on epoxy-resin and g l a s s - f i k r cornpsites. A short description of the methcd i s done. It i s followed by discussions on problems encountered in t h eqxrimental results. It seems that a c r i t i c a l strain-rate around 2000 s-' enhances an important point on

the

high-strain- r a t e behaviour of U.D. camposites with resin

matrix

; Problems conceming generalized delamination, interlaminar shear and temperature increment dur- high strain-rate deformtion are m t i o n e d .

Le comportement dynamique des mtériaux composites soumis auxgrandes vitesses de d é f o m t i o n reste un problème ouvert de qrandes complexités théorique e t W r i r r e n - tale. F. E v r i e s e t F. Lene /1/ ont donné une analyse th6orique par une schémtisa- tion du phénomène de pénétration en milieu cornpsite. Au point de vue expérimenb.1, C.Y. Chim, e t a1./2/ ont classé dans m e mncqraphie des résultats assez complets du sujet. Dans l e s essais u t i l i s a n t l a technique des barres de Hopkinson, t r o i s types d'essais sont intéressants à c i t e r : compression, traction, cisaillement.

On ne propse, i c i , que l e s essais par barres de Kolsky (ou de Hopkinson) en torsion. Cet a r t i c l e présente successivement l a méthodologie, l'interprétation des premiers résultats e t l'aspect de l'endomgement des mtériaux composites suivants : composite 1 : t i s s u de verre équilibré

/

résine 470-36 ;

composite II : t i s s u de verre équilibré/résine 1W 8084-05. II - ~ 0 D o I n X ; I E DES BARRGS DE KOLSKY EN TORSION

2.1. P r i n c i p des barres de Kolsky en torsion

Le d i s p s i t i f de Kolsky en torsion e s t décrit plusieurs reprises

wr

de nonbreux auteurs t e l s que Duffy e t a l . /3/, C h i a e t a l . /4,5,6/. A i n s i , nous ne faisons qu'un descriptif rapide de ce dispositif.

Un dispositif de Kolsky en torsion e s t généralement constitué d'une barre d'entrée, d'une barre de s o r t i e e t d'un système moteur qui s e r t à appliquer une prétorsion en- t r e l'extrémité l i b r e de l a barre d'entrée e t des mâchoires. Lors Cie l'ouverture des machoires obtenue par l a rupture d'une v i s de serrage, l e couple m g a s i n é s e pro- page dans l a barre d'entrée, s e r é f l é c h i t partiellenent e t se t r a n s m t à travers

C5-536 JOURNAL

DE

PHYSIQUE

l'échantillon dans la barre de sortie. La figure 1 présente ce dispsitif d'essais. Si v est la vitesse tangentielle sur la barre d'entrée, on a :

T0/2 v = r.w = 2.

-JPÇ.~

où To est le couple errnriagasiné, J, la section de la barre, pl la masse volumique du matériau de de l'onde de torsion dans les barres.

w

est la vitesse

r .J

Compte tenu que (To)- = où T est la limite élastique du matériau Cie la barre,

on a : y

Si l'on suppose que le rayon

maximum

de l'échantillon est égal à celui de la barre, la vitesse de déformation maximale est alors :

1-

=L

Y- p C T %

(3)

où

R

est la longueur utile de l'échantillon. Pour obtenir la plus grande valeur poss'lble de il faut que T /p

Ç

soit maximan p u r les barres et que

IIu

soit

minimum p u r l'échantillon. C'egt ainsi que nous avons choisi l'alliage d'aluminium G

79 corn mtériau des barres (G = 26800 m a , p = 2700 kg/m3, CT =

J

-

= 31 00 m/s)

.

Le rayon des barres est de 15

m.

P

En

ce qui concerne le traitement des signaux ,on peut utiliser les signaux de l'onde réfléchie, et de l'onde transmise ; le premier type de signal donne la vitesse de déformation et la défomtion, le deuxième donne la contrainte de cisaillement au niveau de l'échantillon. Ce procédé décrit en t e m s de couples d'entrée Ti et de sortie Tt (voir figure 2) se traduit par les fomles suivantes :

-

La contrainte de cisaillement au niveau de l'échantillon parallélépipédique est (cf. fig. 3) :

rn

où

rmest le rayon moyen de l'échantillon.

-

La vitesse de déformation est calculée par la relation :

.

2 (Ti-Tt) rm

Y =

-

J P 5 'h3

Notons que Ti

-

Tt = Tr (Tr = couple de l'onde réfléchie)

-

La défomtion est donc obtenue par intégration fie Y fonction du t q s . 2.2. Définition de l'échantillon dans le premier lot d'essais

Les ccanposites qu'on nous a fournis sont des plaques (renfort en pids 70 '0, tissu

à 8 couches croisées à 90°). La figure 3 et le tableau 1 donnent la géométrie des échantillons. Les échantillons entaillés permettent d'avoir un endomagement dans la zone de cisaillement.

Le

problème majeur dans les essais en cisaillenient est la transmission du couple à l'échantillon. Des essais de fixation

par

collage ont mon- tré qu'il

y

avait rupture au niveau de la couche externe du composite constituée de résine. Aussi, avons nous adopté le s y s t h d'encastrement (cf. fig. 4) renforcé par

un collage avec une colle de haute performance (Araldite AW 106 et durcisseur HV 953 U)

.

2.3, Intérêt de la niéthof-ologie

ébranlé progressivement lors du passage de l'onde. Ceci a un intérêt évident dans

l'étude d'un mtériau laminé constitué de tranches successives de fibres de verre et

de résine.

Les vitesses de défomtion obtenues varient de 100

à

5000 s-'

,

et les t-s

de mon-

tée de l'onde de 20

A

30 ps, selon la nature du mtériau testé et le couple de pré-

torsion imposé.

Cette méthodologie permet d'effectuer des essais sur des matériaux anisotropes tels

que monocristaux et camposites

à

fibres.

D a n s

ce cas, la géométrie des échantillons

est parallélépipédique.

La

direction de cisaillement étant une direction privilégiée

du matériau.

2.4. Interprétation des résultats

Les essais de cisaillement dynamique permettent donc d'obtenir la vitesse de défor-

mation et la contrainte dans l'échantillon en fonction

du

temps.

Par

intégration, on

peut obtenir alors la déformation, d'où la courbe mntrainte-Eléforr~tion.

Les pre-

miers résultats ont été obtenus

sur

le composite

à

tissu de verre équilibré

A

résine

470-36.

La

figure 5 montre les courbes "contrainte-défomtion"

obtenues sur trois

types d'échantillon (fig. 3). On voit que la contrainte maximale

(T-

est forte-

ment sensible

à

la vitesse de déformation, sauf pour les courbes suiv$rtes

:

n05

(type 1)

,

n05, 7 (type II) et n05, 7

( S p e

III)

qui

seront expliquées

par

l'allure

de l'endomgement dans le paragraphe III. La figure

6

présente

T

en fonction de

7 .

On

constate une certaine linéarité p u r les trois t p s

d'échan%?fllons.

Il semble

que l'entaille n'influence pas fortement le ccmprtemnt

mécanique des échantillons.

Pour cette raison, nous poursuivrons les essais

sur

d'autres compsites avec la forme

d'échantillons du type III.

III

-

EXPLICATION DU

~~

ET

ANAJLYSE

DE L'ENKMMAGEMEW

Les essais ont été effectués sur les composites 1 et II. La géométrie des échantil-

lons est du type III.

3.1

.

Résultats expérimentaux

La figure 7 montre les courbes contrainte-déformition

en dynamique et en quasi-stati-

que. Chaque courbe est la moyenne de trois essais (soit

6

échantillons). Les con-

traintes maximum pour les compsites testées ont presque les mêmes valeurs. La défor-

mation de cisaillement

pour

le composite II est plus iirg-ortante que celle du co-p-

site 1. Ceci reste

A

expliquer

par

l'étude du comportement dynamique de ces deux

résines pures. Il est

à

noter que les contraintes dans les essais quasi-statiques ne

sont pas les contraintes

maximum

dans le corcppsite

à

cause

du

collaqe insuffisant

entre l'échantillon et les brides.

On

voit aussi une

même

allure d'au-piientation

de

la contrainte

nnxjmum

en fonction de la vitesse de déformation pour les deux c a p -

sites, sauf dans les courbes n03. Il convient d'analyser l'endommagement

cles échan-

tillons pour expliquer ce phénomène.

3.2.

Analyse de l'endorra~gement

Nous proposons dans le tableau

2

des schémas représentatifs de l'endommagement cor-

respondant aux courbes de la figure 7. Nos essais n'ont jamais

mené A

la rupture

dans la direction du cisaillement, m i s

à

un endonmagement avec fissuration de plus

en plus important avec l'augmentatjqn de et y.

Quand la vitesse de défomtion

dépasse

une valeur critique

(7

#

2000 s pour ces deux composites), le mode d'endonnnage-

ment dans les échantilygns est une fiçsuration d m s les couches de tissu et un &la-

minage entre deux couches

de

tissu. Ceci explique pourquoi les contraintes nnximales

sont décroissantes p u r les courbes citées antérieurelnent

:

n05 (type

1)

nos,

7 (ty-

pe

II) et n05, 7 (Spe

III) sur la figure

6 ;

n03 sur

la

figure

8. IV.

DISCUSSIOPJ

ET

COPTCLUSICRJ

A l'issue des premiers résultats expérimentaux, il apparaît que les paramètres tels

que la vitesse de défomtion

y,

la terature des essais

T,

l'élévation

de

te*-

JOURNAL DE PHYSIQUE

Fig. 1

-

Barre de Kolsky modifiée pour la torsion W Y pi

3

d

5

W (1

5

2

O

*

2

œ a O _{b4 ; i ;} w _C =pi

Y

: y

œ z a V> s a CJ w 0

=

0 0 a A CI

=

2

P U

₂

Fig. 2

-

Relation entre les couples de torsion

<

Fig.

3.a

-

Echdntiilon

Fig. 3.b

-

Echantillon

entaille

entaille

-> I Y

.

-

B A R R E D' I N C I D E N C E BARRE DE T R A N S M I S S I O N

Tableau

1 :

g-trie

des

echantlllans

'A

Barre in. Brides Barre tr.

Echantill-

m-entaiil&

entaFLl6s

i

Fig. 4

-

Encastrement des échantillons parallélépipédiques 'XLpe 1

II

III

hl

irm3

3,2

3r2

382

h2

0

10,8

888

688

h3

(14

2,8

382

382

4

JOURNAL

DE

PHYSIQUE

Tirou de verre oqulllbre-roolno 470-38

+typa III

Log (vitesse de déf .) l.og Y(s-3

Fig. 6

-

Influence de la vitesse de déformation sur la contrainte de cisaill.ement maximale.

D E F O R M A T I O N < % > D E F O R M A T I O N C X )

JOURNAL

DE

PHYSIQUE

Tableau 2 : Ehdcmmgement repr6sentatif

_-

1 1 I

quasi-statique 1b20 20L30 tr&s faible f issuratfion

W e de s o l l i c i t a t i o n

faible fissuration

f i s s u r a t i m e t

rature AT en cows de d6fonmtion plastique de l a r6sine e t l e cisaillement interla- mellaire sont praominants dans l e comprtement aux chocs des matgriaux cclmposites. Nous propF,sons qu'un mod&le g4n6ral devrait &tre m i s sous l a f o r m :

T = A Rn y

+ B

f (TIAT) + cP oh A et B sont des constantes; Q une foncfion de tous l e s autres p a r a d t r e s physiques, chimiques e t dcaniques. Au-clessous Ire yc

,

l e s influem ces de B f (TIAT) e t de Q sont n6gliqeables devant A Rn

q.

I1 e s t tr&s g i f f i c i l e ac- t u e l l m t de dgterminer quantitativemmt l'influence de l a vitesse de sollicitation. I1 faut 6galement noter que l e s essais ne sont pas reprductibles exactemat e t que l a dispersion des valeurs impose de f a i r e fie nombreux essais p u r quantifier l e ph6- n o h e statistiquement.

C e t t e mdthcdolcgie s'adapte bien B llCtude du p h h n h e d.e ddcohdsion localisee ( £ i s suration e t d6laminage) car il e s t possible de r e l i e r l e s phhnom&nes d ' e n d o m g m t du mt6riau A ses propri4tgs dcaniques. Ceci nous coniiuira t e s t e r des c m m s i t e s

A

fibres unidirectionnelles de verre e t l e s &sines nures. Les r6sultats nous p e m t -

tront de bien comprendre l e s dcanismes tels que l e il6laminaae, l a d6coh6sion des fibres, les fissures translaminaires, e t $e n r m s e r des mdhles pratiques applica- bles au calcul des structures.

Mfonnation (%)

/ I / F. Devries e t F. Lene, Rapport G.R.E.C.O. n0115 (1984).

/2/ C.Y. Chiem, J.P. Famousse e t R. Cozic, Convention E.N.S.M./C.E.T.I.M., Rapport n°CRC/8407-1 (1 984)

.

/3/ J. Duffy, J.D. Campbell and R.H. Hawley, J. of Applied Mechanics (Mars 1971)

,

pp. 83-91.

/4/ C.Y. Chiem, Thgse de Wteur+s-Sciences E t a t

(,Tub

1980)

.

/5/ C.Y. Chiem, P. Blinot, R. Cozic, J.P. -is, Rapport Technique n°CMI-83-XI5

( E l l a i 1983)

.

/ 6 / C.Y. Chiem e t J. M f y , J. Mat. Sci. and Eng., vol. 57 (1982), n02, pp. 233-247. mm4ement repd-tatif Compo- s i t e I Allure d1end0mmagem%t

-

cw-

s i t e I1