Essais mécaniques des plastiques - Caractéristiques instantanées

Avec des taux de croissance annuels supérieurs aux taux moyens de l’industrie, les matières plastiques (ou polymères) ont vu leur champ d’application s’étendre, notamment dans des milieux où les notions de fiabilité et de coût prévalent. La tendance actuelle est à l’intégration dans les circuits de production d’outils performants de conception et d’assurance de la qualité, allant jusqu’à une véritable ingénierie assistée par ordinateur (IAO), qui permet, grâce à la modélisation, de réduire, voire même d’éviter, le passage de pièces prototypes au banc d’essai.

Ces outils ne peuvent cependant être pleinement efficaces que si les données de caractérisation et de comportement des matériaux utilisés pour produire les pièces existent, s’inscrivent parfaitement dans les conditions d’application prévues, et sont ainsi susceptibles d’alimenter des banques de données informatisées pour contribuer au dimensionnement des structures ou servir de référence dans un plan de contrôle de production.

Dans ce contexte industriel moderne de conception de pièces, les essais mécaniques à l’état solide revêtent une importance accrue dans la mesure où ils définissent la pertinence des données sur lesquelles les industriels s’appuient.

Ces essais spécifient l’ensemble des moyens expérimentaux destinés à mesurer certaines propriétés dans des conditions de sollicitation mécaniques bien définies, avec si nécessaire, action combinée de paramètres d’environnement (température, humidité, liquide, gaz). Ils ont pour objectif la détermination :

• de lois de comportement mécanique complètes des matériaux, fonctions générales reliant une cause (par exemple un champ de forces) à un effet (par exemple un champ de déformations) et présentant certains seuils au-delà desquels le matériau ne conserve plus sa fonctionnalité ;

• des caractéristiques mécaniques élémentaires, points singuliers des lois de comportement (modules, allongements et contraintes aux seuils critiques tels que non-linéarités, écoulement, rupture).

Il s’agit là en fait d’un principe de caractérisation qui est beaucoup plus complexe dans la réalité expérimentale, notamment pour les polymères pour lesquels la loi de mise en charge en fonction du temps doit toujours être parfaitement précisée du fait de leur caractère viscoélastique prononcé. Il convient de garder à l’esprit qu’avec certaines méthodes d’essais empruntées aux métaux, le facteur temps n’est pas explicitement pris en compte, ce qui peut conduire à des interprétations erronées.

Suivant les cas et selon l’objectif poursuivi, on réalisera (figure 1) :

• des essais instantanés ;

• des essais à long terme [AM 3 511] ;

• des essais de mécanique de la rupture [AM 3 511] ;

• des essais de spectroscopie mécanique (rhéologie à l’état solide) [AM 3 512] ;

• des essais thermomécaniques volumiques ou superficiels [AM 3 512].

L’ensemble, relatif aux essais mécaniques des plastiques, est divisé en trois articles. Le premier Essais mécaniques des plastiques- Caractéristiques instantanées présente les méthodes et l’ensemble des moyens expérimentaux à mettre en œuvre pour déterminer les lois de comportement et les caractéristiques (points singuliers) mécaniques instantanées des polymères. Le deuxième Essais mécaniques des plastiques- Caractéristiques à long terme et ténacité traite du comportement à long terme et des caractéristiques d’amorçage et de propagation de fissures. Le troisième Essais mécaniques des plastiques- Essais rhéologiques et thermiques porte sur les caractéristiques rhéologiques et thermomécaniques de volume et de surface.

Les essais mécaniques propres aux plastiques renforcés (composites) sont traités séparément dans l’article [11].

D’une manière générale, on attirera l’attention sur le fait que les propriétés mécaniques des plastiques dépendent de multiples facteurs externes ou internes.

• Les paramètres externes sont liés aux conditions de sollicitation et d’environnement, et interviennent directement comme conditions d’essais :

  • température, vitesse, temps, fréquence, type et niveau de sollicitation ;

  • environnement (agents liquides ou gazeux, radiations...).

• Les paramètres internes sont liés à la structure et à la composition du matériau. Outre la nature chimique du polymère et de ses adjuvants, on peut citer :

  • l’anisotropie due aux orientations des macromolécules, charges ou fibres ;

  • le caractère amorphe ou cristallin (taux et géométrie des cristallites) ;

  • l’état de polymérisation ou de réticulation ;

  • l’hétérogénéité d’épaisseur ;

  • la présence de défauts ;

  • les tensions internes ;

  autant de paramètres résultant de l’histoire thermomécanique du matériau, donc des conditions de sa transformation (séchage, pression, température, vitesse, facteurs géométriques liés à l’outillage, refroidissement).

On notera enfin que, bien que leur dénomination soit identique, les essais mécaniques peuvent différer par la géométrie et les dimensions des échantillons testés, la nature et les dimensions des dispositifs de fixation et de sollicitation, les moyens de mesure utilisés, d’où l’intérêt de suivre les normes établies dans le domaine.

Dans cette première partie, on s’intéressera aux essais instantanés (à court terme), dont l’objectif est la mesure des modules (caractéristiques linéaires ou élastiques) et des allongements et résistances en traction, flexion, compression, cisaillement, choc (caractéristiques à la rupture), autant de données figurant désormais couramment dans les fiches techniques, catalogues et banques de données informatisées, mais dont l’intérêt se limite au contrôle qualité et au choix préliminaire de matériaux.