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1 - COMPORTEMENT À LONG TERME

  • 1.1 - Méthode de caractérisation
  • 1.2 - Démarche de modélisation
  • 1.3 - Incidence du vieillissement sur les propriétés
  • 1.4 - Potentiel de durée de vie
  • 1.5 - Comportement mécanique et durée de vie en service

2 - ANALYSE PHYSICO-CHIMIQUE. STRUCTURE ET VIEILLISSEMENT

3 - CONTRÔLE DE L’INTÉGRITÉ DES CMO

4 - ANALYSE THERMIQUE

5 - PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES. ÉVOLUTIONS AU COURS DU VIEILLISSEMENT

6 - ÉVOLUTIONS DU COMPORTEMENT MÉCANIQUE À LONG TERME

Article de référence | Réf : AM5321 v1

Évolutions du comportement mécanique à long terme
Vieillissement des composites - Évolution des propriétés et modélisation

Auteur(s) : Bruno MORTAIGNE

Date de publication : 10 juil. 2005

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RÉSUMÉ

De plus en plus, l’ingénieur est à la recherche de critères et de modèles de prévision du comportement à long terme des composites à matrice organique (CMO). Pour cela, il faut collecter des informations sur les constituants du matériau, déterminer  les sollicitations de tous genres (thermique, mécanique, hydrique…) auxquelles le composite est soumis et disposer de données de vieillissements accélérés fiables. Cet article présente également les évolutions des propriétés susceptibles d’être rencontrées en service.

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Auteur(s)

  • Bruno MORTAIGNE : Docteur en matériaux de l’École Nationale Supérieure d’Arts et Métiers (ENSAM) - Spécialiste « Matériaux » - Délégation Générale pour l’Armement (DGA)

INTRODUCTION

Les composites à matrice organique (CMO) monolithiques ou sandwiches sont désormais incontournables pour l’ingénieur, et l’établissement de critères et de modèles permettant de prévoir leur comportement au vieillissement est un enjeu important. Cela nécessite non seulement de caractériser l’évolution des propriétés, mais également de comprendre les phénomènes de dégradation qui sont intervenus (physico-chimique, physique, mécanique). Dans le dossier « Vieillissement des composites. Mécanismes et méthodologie d’étude », la méthodologie d’étude à adopter pour prévoir leur comportement à long terme ainsi que les phénomènes responsables de la dégradation des propriétés ont été détaillés dans leur globalité.

La définition d’un modèle de prévision du comportement nécessite d’acquérir le maximum d’informations sur les constituants et sur la structure du matériau, d’identifier le plus exactement possible les sollicitations (thermique, hydrique, mécanique...) auxquelles le composite est soumis en condition opérationnelle, et d’utiliser des moyens de contrôle (optique, contrôles non destructifs : CND) permettant de suivre la formation et la propagation des endommagements. Il nécessite d’avoir recours à des vieillissements accélérés réalistes pour lesquels il est nécessaire de s’assurer de leur représentativité. La plus grande difficulté rencontrée pour ces essais est la définition des cycles de sollicitations représentatifs des agressions subies en service.

Ce dossier tente, à travers divers exemples de CMO structuraux, de mettre en application la méthodologie définie précédemment. Il décrit les différents moyens d’analyse du comportement à mettre en œuvre et indique au lecteur les évolutions des propriétés susceptibles d’être rencontrées en service de manière à ce qu’il puisse les intégrer dans la prévision du comportement à long terme.

Plusieurs « modèles » dépendant du CMO et de ses conditions d’utilisation, basés sur l’évolution de la propriété limitative à l’utilisation et résultant soit d’une analyse physico-chimique, soit d’un suivi des propriétés mécaniques sont présentés. La température et l’humidité étant les deux facteurs majeurs influençant les caractéristiques initiales des matériaux et de vieillissement, la prévision de leur comportement en fonction de ces paramètres est regardée de manière systématique. Du point de vue mécanique, la résistance aux impacts et la compréhension des mécanismes de propagation de fissures sont systématiquement investiguées pour pouvoir certifier le comportement en cours d’utilisation. Une modélisation mécanique par éléments finis prenant en compte des singularités de structure, de contrainte et d’endommagement ainsi qu’une approche multiéchelle de prévision du comportement sont également présentées. Ces modèles ne permettent toutefois pas de s’affranchir du retour d’expérience du comportement en environnement d’utilisation qui est le seul à pouvoir les valider.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-am5321


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6. Évolutions du comportement mécanique à long terme

La durée de vie d’un CMO est industriellement reliée à la durée pendant laquelle le CMO va pouvoir maintenir ses propriétés mécaniques. Son comportement à long terme est donc relié à la cinétique d’évolution de ses propriétés, même si en parallèle ces évolutions doivent être confortées par les cinétiques d’évolution physico-chimique du matériau de manière à s’assurer que tous les mécanismes de dégradation ont bien été identifiés.

6.1 Prévisions basées sur l’évolution des propriétés mécaniques

Il est possible de prévoir l’évolution des propriétés mécaniques en fonction du suivi de leur évolution au cours du temps dans différentes conditions d’exposition (humidité, température, rayonnements, micro-organismes...). Pour la modélisation de l’évolution des propriétés mécaniques, les mêmes modèles que ceux utilisés pour le dimensionnement des structures sont employés ; seules les données d’entrée sont ajustées en fonction de l’évolution des propriétés mécaniques mesurées par des essais simples (voir § 5.1) du matériau après un temps t, et le modèle de calcul permet de prévoir le comportement (rupture) après ce temps t.

Dans le cas des composites à fibres de verre, une relation linéaire est très souvent observée entre la contrainte appliquée parallèlement aux fibres (σ /σ 0 ), et le lg du temps de la rupture du composite. Cette relation linéaire est souvent utilisée pour prévoir le temps de rupture sous contrainte à long terme du composite.

Les courbes d’évolution de propriété au cours du vieillissement doivent être analysées avec précision, et les renseignements...

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