Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Tous les domaines industriels recherchent dans les matériaux composites des caractéristiques spécifiques (absorption optimale des chocs, propriétés mécaniques élevées, bonne tenue sur le long terme…). Mais plus récemment, un critère est devenu incontournable dans les exigences : le dimensionnement à la fatigue. En effet, les matériaux composites sont aujourd'hui utilisés dans des structures très sollicitées. Pour mettre en œuvre un matériau qui réponde au mieux à l'application envisagée tout en améliorant la résistance à la fatigue, il est nécessaire de bien comprendre les mécanismes de dégradation en fatigue, et de savoir comment prendre en compte au mieux les différents facteurs dont dépend la fatigue des matériaux composites (la nature des fibres et des résines, du drapage, de la qualité des interfaces...).
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Each industrial sector looks for specific characteristics in composite materials (optimal absorption of chocs, high mechanical properties, good performance on the long term, etc.). Recently however, one criteria has become paramount in the requirements: the fatigue dimensioning. Indeed, composite materials are currently used in structures which are subjected to extreme stress. In order to produce a material adapted at best to the envisaged application whilst improving resistance to stress, it is essential to gain a sound understanding of the mechanisms of degradation due to fatigue and to take into account at best the various factors which cause the fatigue of composite materials (the nature of fibers and resins, draping, quality of the interfaces etc.).
Auteur(s)
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Jacques RENARD : Directeur de Recherche - Comportement mécanique des composites et des assemblages - Mines ParisTech, Centre des Matériaux UMR CNRS 7633
INTRODUCTION
La pénétration des matériaux composites dans de nombreux secteurs industriels, tels que ceux du transport, nécessite une confiance accrue envers ces matériaux, portée par des méthodes de dimensionnement fiables.
Le choix des matériaux résulte alors d’une optimisation multicritère. Parmi ces critères et selon les applications, citons sans être exhaustif les propriétés mécaniques, certaines propriétés fonctionnelles (optiques, électromagnétiques...), une légèreté structurale pour répondre à des exigences environnementales, des contraintes de coûts... C’est ainsi que l’on recherche des propriétés mécaniques élevées dans le domaine aéronautique, des capacités d’absorption aux chocs dans le domaine automobile, une bonne tenue mécanique sur le long terme dans le domaine naval.
À tous ces critères est venue s’ajouter, depuis plusieurs années et de manière cruciale, une exigence de dimensionnement à la fatigue. La raison en est que les matériaux composites ne sont plus confinés à des parties dites secondaires, c'est-à-dire ne reprenant que peu d’efforts, mais à des structures primaires largement sollicitées, pour lesquelles une sécurité accrue est exigée.
La conséquence immédiate est une augmentation des épaisseurs des stratifications qui n’est pas sans soulever de nouvelles questions. En effet les structures stratifiées développent dans leur épaisseur des contraintes interlaminaires susceptibles d’engendrer des décollements entre plis appelés délaminages, très préjudiciables pour la tenue mécanique. Là où certains phénomènes de fatigue pouvaient être évités, ils peuvent devenir incontournables.
Peut-on toujours parler d’une résistance exceptionnelle à la fatigue, d’un rapport élevé entre la limite d’endurance et la résistance en traction et du peu de sensibilité à l’effet d’entaille par comparaison à des alliages d’aluminium lors de sollicitations cycliques ?
Pour répondre à ces questions, il faut d’abord comprendre les mécanismes de dégradation en fatigue. Concevoir des structures porteuses en matériaux composites nécessite des outils de dimensionnement et de prédiction de durée de vie fiables. Les principaux modèles de comportement et de rupture sous différentes sollicitations cycliques sont revus et les tendances les plus récentes du dimensionnement à la fatigue sont étudiées.
Notons que le cas des polymères renforcés par des fibres coupées n’est pas abordé ici.
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Influence de l'environnement sur la durée de vie en fatigue6. Fatigue après impact
L'effet d'un impact de faible énergie sur le comportement mécanique d'un composite est toujours difficile à appréhender et dépend pour beaucoup de la fraction volumique des fibres au sein du composite.
Pour des fractions volumiques de l'ordre de 60 %, les chocs provoquent des délaminages aux interfaces des plis les plus proches de la zone impactée, sans toutefois laisser de manifestation apparente à la surface du composite (figure 28).
Quand la fraction volumique est plus faible et selon la matrice adoptée, le choc peut être partiellement absorbé et son influence sur les propriétés mécaniques réduite grâce aux capacités viscoplastiques de la matrice.
Il est toutefois clair que quels que soit les dommages crées par les impacts, ces derniers ne peuvent que se propager sous sollicitations cycliques. Rappelons qu'un impact faible énergie sur une plaque en composite carbone et matrice thermodurcissable T300/5208 conduit à abaisser la résistance à la traction d'environ 30 %, et celle en compression d'environ 60 % . On note à nouveau la faiblesse relative des matériaux composites en compression. Il en va de même en fatigue. La limite de fatigue d'un matériau préalablement impacté puis sollicité en traction ondulée se trouve amoindrie pour rester inférieure à sa résistance en traction. Mais c'est à nouveau en compression que l'impact est le plus dommageable. La limite de fatigue en compression peut chuter jusqu'à atteindre seulement 20 % de la résistance à la traction Rm du matériau sain.
La figure 29 illustre ces remarques pour un composite en carbone époxy T300/5208 de séquence [0/ ± 45/90]3s . Le rapport...
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Fatigue après impact
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - COFFIN (L.F.) - A Study of the effects of Cyclic Thermal Stresses on a Ductile Metal - Transaction of the ASME 76, pp. 931-950 (1954).
-
(2) - ROUCHON (M.), LIBERGE (M.) - Endommagement des matériaux composites carbone-époxy - Rapport CEAT, n° 5213 (1986).
-
(3) - REIFSNIDER (K.) - Some fundamental aspects of fatigue and fracture response of composite materials - Proceedings du 14e meeting de la Society of Engineering Science, Lehigh University, p. 373-384 (November 1978).
-
(4) - HIGHSMITH (A.), REIFSNIDER (K.) - Stiffness reduction mechanism in composite laminates - Damage in Composite materials, ASTM STP 775, p. 103-117 (1982).
-
(5) - GARRET (K.), BAILEY (J.) - Multiple transverse fracture in 90° cross-ply laminates of a glass fiber-reinforced polyester - Journal of Materials Science, vol. 12, p. 157-168 (1977).
-
(6) - CHAREWICZ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Les codes commerciaux de calcul par éléments finis (ABAQUS, ANSYS...) ne font pas de calcul à la fatigue mais procèdent à des calculs pour un nombre de cycles donné. Les caractéristiques matériaux correspondent alors aux propriétés résiduelles pour le nombre de cycles concernés. La question reste alors de savoir pour quels cycles il est judicieux de faire ces calculs. La réponse est apportée en travaillant sur des techniques de sauts de cycles mentionnées en [AM 5 410] § 8.2.
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ICFC5, Fifth International Conference on Fatigue of Composites 16-19, octobre 2010 Nanjing, Chine.
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Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)SF2M, Société Française de Métallurgie et de Matériaux. Commission fatigue http://www.sf2m.asso.fr
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