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Article

1 - THERMOPLASTIQUES : UNE RICHESSE DE COMPORTEMENTS MÉCANIQUES

2 - INITIATION AUX PROCESSUS ÉLÉMENTAIRES DE DÉFORMATION

3 - COMPORTEMENT MACROSCOPIQUE DES THERMOPLASTIQUES

4 - TRAITEMENT MATHÉMATIQUE ET MODÈLES DE COMPORTEMENT

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : AM3115 v1

Initiation aux processus élémentaires de déformation
Propriétés et comportement mécanique des polymères thermoplastiques

Auteur(s) : Noëlle BILLON, Jean-Luc BOUVARD

Date de publication : 10 juil. 2015

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RÉSUMÉ

Cet article illustre la diversité des comportements des matières plastiques en s'appuyant sur un choix de caractérisations expérimentales. Quelques règles générales sont déduites. Des conseils quant aux protocoles de mesures sont décrits et justifiés. L'intérêt se porte essentiellement sur la viscoélasticité, les effets de températures, de vitesse et le couplage thermomécanique. La description de quelques-uns des modèles de comportement les plus simples permet d'introduire les voies de modélisation actuelles.

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ABSTRACT

Mechanical properties and mechanical behaviour of thermoplastic polymers

This paper presents the wide range of mechanical behavior of thermoplastic materials based on the selection of experimental characterization. Some general rules are deduced. Advice on experimental protocols is given and justified. A significant place is given to the viscoelasticity, temperature and velocity effects along with thermomechanical coupling. A description of simple constitutive models for thermoplastics is also presented to show the current state of modeling.

Auteur(s)

  • Noëlle BILLON : Ingénieur EAHP, Docteur ENSMP - Professeur à Mines ParisTech, Sophia-Antipolis, France

  • Jean-Luc BOUVARD : Ingénieur de l’École Centrale Marseille (ECM), Docteur ENSMP - Chargé d’enseignement et de recherche à Mines ParisTech

INTRODUCTION

Les polymères thermoplastiques et les matières plastiques (polymères une fois renforcés, formulés et/ou chargés) dont ils sont la base, comme tout matériau de structure, doivent présenter des caractéristiques mécaniques conformes à un cahier des charges, lui-même dicté par les conditions d’utilisation de la structure.

Ces caractéristiques peuvent se décliner en termes de ce qu’il est traditionnel de définir comme des « propriétés mécaniques » – telles un module d’élasticité, un seuil apparent de plasticité ou des grandeurs à rupture – ou en termes de modèle (ou de paramètres de modèle) de comportement – élastique, élasto-plastique etc. – utilisés dans les logiciels de calcul de structure.

Ces deux niveaux de conceptualisation ne sont pas disjoints, et dans les deux cas, l’utilisateur se place implicitement dans le cadre de la mécanique des milieux continus. Il cherche, ainsi, à représenter les relations existant entre la déformation d’un milieu continu, supposé représenter le matériau, et la contrainte développée dans celui-ci.

Pourtant, les processus physiques impliqués dans la déformation dépendent, bien sûr, de la nature du matériau et de sa microstructure (organisation des éléments constitutifs du matériau, cristallisation et/ou morphologie des mélanges). Ainsi, la représentativité des grandeurs mesurées peut dépendre du matériau et l’analyse associée devrait être adaptée aux matières plastiques et à leurs spécificités.

Malgré une apparente plus grande simplicité, et l’existence rassurante de normes d’identification, les notions de « propriétés mécaniques » font, elles aussi, une hypothèse a priori quant à la nature du comportement. Ainsi, identifier un module d’élasticité (ou d’Young) présuppose que les processus élémentaires de déformation confèrent au matériau un comportement élastique linéaire et déterminer un seuil de plasticité apparent (ou limite d’élasticité) n’a son sens physique plein que si les processus de déformation irréversible sont gouvernés par un seuil de contrainte.

En parallèle, le comportement mécanique des matières plastiques est caractérisé par une très grande diversité. En effet, dans cette famille de matériaux, coexistent un grand nombre de types de comportement que l’on qualifie, par habitude souvent, de viscoélastique, viscoplastique, hyperélastique, durcissant, adoucissant ou endommageable. Les spécialistes accordent à ces termes des définitions parfois plus précises mais leur sens « commun », adopté dans cet article, est rappelé dans le glossaire (§ 6). De ce fait, et d’un point de vue technologique, on peut trouver, pour les mêmes conditions d’utilisation, des matières plastiques soit rigides fragiles, soit ductiles, soit caoutchoutiques. C’est ce qui en fait leur richesse.

Cette diversité se retrouve, pour un même polymère, si l’on fait varier certaines de ses caractéristiques, sa formulation ou simplement ses conditions d’utilisation. Il peut, ainsi, être rigide fragile, ductile ou élastique suivant le cas. Cela ne veut pas dire que le comportement du polymère est variable, voire incontrôlé, mais cela illustre que les paramètres contrôlant ses propriétés mécaniques ainsi que les processus élémentaires de déformation envisageables sont nombreux. En conséquence, le dimensionnement de pièces plastiques peut être à la fois riche en solutions et difficile à contrôler avec précision.

Sur la base d’exemples de caractérisations expérimentales, cet article vise à illustrer ces diversités : notamment les transitions de comportement associées à la nature macromoléculaire des polymères et leurs impacts technologiques ainsi que, à l’occasion, les hypothèses sous-jacentes à ce type de caractérisation et les précautions indispensables à l’ingénieur pour aborder sainement la caractérisation et la modélisation du comportement mécanique de matières plastiques. La description de quelques-uns des modèles de comportement les plus simples permet d’introduire les voies de modélisation actuelles.

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KEYWORDS

viscoelasticity   |   viscoplasticity   |   polymers   |   thermoplastics   |   mechanical tests   |   mechanical characterisation

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-am3115


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2. Initiation aux processus élémentaires de déformation

Même si les matériaux sont traités avec les outils de la mécanique des milieux continus, les contraintes résultent de la perturbation de leur énergie interne, induite par la modification de leur microstructure. Ainsi tout ou partie des éléments constitutifs du matériau sont amenés hors de leur position d’équilibre pour « accommoder » la déformation macroscopique appliquée, ce qui se traduit par une augmentation de l’énergie (enthalpie ou entropie) du matériau. Les postulats de la mécanique des milieux continus – en tout point occupé par le corps il y a un point matériel ; chaque point se déplace de façon continue ; deux points infiniment voisins restent voisins ; les propriétés physiques sont continues – masquent un peu cette réalité physique qui est que la réponse du matériau met en jeu des processus élémentaires de déformation, discrets et discontinus. C’est dans ces processus élémentaires que les polymères se singularisent des autres matériaux, induisant des comportements macroscopiques spécifiques. À cette échelle macroscopique, la microstructure du polymère est masquée par le milieu continu équivalent.

2.1 Processus propres aux polymères

À un niveau très local, déformer le polymère consiste à déformer et/ou déplacer ses éléments constitutifs, c’est-à-dire ses chaînes. Les macromolécules ne sont pas des objets indéformables. Une fois leur configuration – enchaînements covalents – fixée par la chimie, elles peuvent adopter différentes conformations – arrangement spatial de tous les groupements d’atomes. Ces dernières, et les énergies qui leur sont associées, sont définies par les degrés de liberté laissés par la « chimie » (énergie de torsion sur les cônes de valence [A3110]). Une sollicitation externe peut faciliter le basculement de l’un ou l’autre des groupements sur son cône de valence et, donc, modifier la conformation de la chaîne....

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - G’SELL (Ch.), JONAS (J.J.) -   Yield and transient effects during the plastic deformation of solid polymers  -  . J. Mater. Sci., 16, pp. 1956-1974 (1981).

  • (2) - GOPEZ (J.R.) -   Étude de la déformation du polycarbonate en cisaillement simple,  -  Thèse Institut National Polytechnique de Lorraine (1983).

  • (3) - GRENET (J.), G’SELL (Ch.) -   Observation and Modelling of Shear-Band Propagation in Glassy Polycarbonate.  -  Polymer. 31, pp. 2057-2065, (1990).

  • (4) - TILLIER (Y.) -   Identification par Analyse inverse du comportement mécanique des polymères solides. Applications aux sollicitations mutiaxiales et rapides,  -  These, École des Mines de Paris. (1998).

  • (5) - WARD (M.) -   Review : The Yield Behaviour of Polymers  -  , Journal of Materials Science, 6, pp. 1397-1417. (1971).

  • (6)...

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