Mécanique de la rupture des composites : délaminage et fissuration

1 - Origine des fissures dans les structures composites

2 - Bases de la mécanique de la rupture

• 2.1 - Rappels sur la mécanique linéaire élastique de la rupture (MLER)
  Figure 8 - Les trois modes de propagation de fissure (d’après [10]) Figure 9 - Champ de contrainte en pointe de fissure Figure 10 - Fissure de longueur 2 · a dans une plaque infinie en traction
• 2.2 - Taux de restitution d’énergie

  • Quiz d'entraînement
  Figure 11 - Zone d’endommagement/plasticité en pointe de fissure, encore appelée « Fracture Process Zone » Figure 12 - FPZ accompagnant un délaminage et propagation d’un délaminage d’un stratifié UD en mode II

3 - Mesure du taux de restitution d’énergie critique

• 3.1 - Méthode de la complaisance
  Figure 13 - Courbe typique d’un essai de propagation de fissure et méthode des aires
• 3.2 - Mesure en mode I
  Figure 14 - Essai DCB Figure 15 - Courbe théorique d’un essai DCB Figure 16 - Courbe typique et dépouillement d’un essai DCB permettant d’obtenir la courbe R
• 3.3 - Mesure en mode II
  Figure 17 - Essai ENF Figure 18 - Courbe théorique d’un essai ENF Figure 19 - Courbe typique et dépouillement d’un essai ENF permettant d’obtenir la courbe R
• 3.4 - Mesure en mode III
  Figure 20 - Essais en mode III
• 3.5 - Mesure en mode mixte

  • Quiz d'entraînement
  Figure 21 - Essai en mode mixte I/II

4 - Délaminage des interfaces

• 4.1 - Physique de la propagation en mode I et en mode II
  Figure 22 - Rupture interlaminaire en mode I et en mode II (d’après [34]) Figure 23 - Faciès de rupture interlaminaire en mode I et en mode II (d’après [34]) Figure 24 - Rupture en mode II : création de cusps dans un UD carbone/époxy et microfissures orientées à 45° du plan de rupture (d’après [34] [35]) Figure 25 - Polymères thermoplastique et thermodurcissable Figure 26 - Rupture en cisaillement d’un matériau fragile Figure 27 - Rupture d’une interface interlaminaire en mode II plan : création des cusps Figure 28 - Rupture d’une interface interlaminaire en mode II plan : création des cusps et cusps après rupture Figure 29 - Faciès de rupture d’une interface thermoplastique en mode I et en mode II Figure 30 - Ténacité en mode I de différents composites en fonction de la ténacité de la résine seule (d’après [39]) Figure 31 - Observation des nodules thermoplastiques à l’interface dans un composite T700/M21 et contournement d’un nodule thermoplastique par une fissure (d’après [40]) Figure 32 - Délaminages intralaminaires et interlaminaires dans un composite carbone/époxy IMA/M21E (d’après [41]) Tableau 1
• 4.2 - Couplage mode I et mode II
  Figure 33 - Courbe typique d’un couplage mode I/mode II Figure 34 - Critère de délaminage en mode I/II d’un composite carbone/époxy de première génération T300/914C et de seconde génération T700/M21 Figure 35 - Effet de l’orientation des plis inférieurs et supérieurs sur G IIc d’un composite carbone/époxy (d’après [28]) Figure 36 - Effet de l’orientation des plis inférieurs et supérieurs : interface 0/0, 0/90 et – 45/45 Figure 37 - Modèles classiques de couplage en mode I/mode II
• 4.3 - Effet UD/tissé
  Figure 38 - Pli d’un tissu satin de 8 Figure 39 - Différents types de tissage et interface trame/trame entre deux plis de satin de 8 (d’après [46]) Figure 40 - Influence du tissage et de la direction de propagation sur la ténacité en mode I d’un UD et d’un tissé T300/934 (d’après [46]) Figure 41 - Drapage [0/90, 05] S d’un stratifié carbone/époxy et dommage après impact (d’après [47])
• 4.4 - Effet de la compression sur le mode II
  Figure 42 - Fissure en mode II et effet schématique d’une compression sur la rupture en mode II Figure 43 - Effet de la compression sur la ténacité en mode II Figure 44 - Schéma des dommages créés lors d’un impact sur plaque stratifiée composite
• 4.5 - Effet de la vitesse de propagation
  Figure 45 - Effet de la vitesse d’ouverture de fissure sur la ténacité en mode II et sur taille de la FPZ (d’après [34]) Figure 46 - Faciès de rupture en mode II : endommagement ductile pour une sollicitation statique et endommagement fragile pour une sollicitation dynamique (d’après [34])
• 4.6 - Fissuration matricielle et couplage fissuration/délaminage

  • Quiz d'entraînement
  Figure 47 - Rupture d’un pli UD en traction transverse et scénario d’endommagement associé (d’après [1]) Figure 48 - Contrainte à rupture d’un composite carbone/époxy en fissuration matricielle pour différents types de plis (d’après [56]) Figure 49 - Champ schématique de la contrainte transverse entre deux fissures matricielles consécutives Figure 50 - Influence de l’épaisseur du pli à 90° (20, 40 et 60 microns) sur les distances entre fissures matricielles pour une déformation imposée de 2 % (d’après [57]) Figure 51 - Les deux principaux types de fissuration matricielle Figure 52 - Micrographie post-mortem d’un stratifié [02/90] S sollicité en flexion 3 points : fissure matricielle à 45° et « cusps » provoqués par l’avancé du délaminage (d’après [50]) Figure 53 - Scénario d’endommagement d’un stratifié composite UD lors d’une sollicitation d’impact (d’après [58])

5 - Conclusion

6 - Glossaire

7 - Sigles, notations et symboles