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Prise en compte du vieillissement et de l’endommagement dans le dimensionnement

Prise en compte du vieillissement et de l’endommagement dans le dimensionnement de structures en mat´ eriaux composites Julien Mercier To cite this version: Julien Mercier. Prise en compte du vieillissement et de l’endommagement dans le dimension- nement de structures en mat´ eriaux composites. Mechanics. ´ Ecole Nationale Sup´ erieure des Mines de Paris, 2006. French. <tel-00156986> HAL Id: tel-00156986 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00156986 Submitted on 25 Jun 2007 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entiﬁc research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diﬀusion de documents scientiﬁques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. Collège doctoral ED n° 432 : Sciences des métiers de l’ingénieur N° attribué par la bibliothèque |__|__|__|__|__|__|__|__|__|__| THESE pour obtenir le grade de Docteur de l’Ecole des Mines de Paris Spécialité “Sciences et Génie des Matériaux” présentée et soutenue par Julien MERCIER le 20 novembre 2006 PRISE EN COMPTE DU VIEILLISSEMENT ET DE L’ENDOMMAGEMENT DANS LE DIMENSIONNEMENT DE STRUCTURES EN MATERIAUX COMPOSITES Directeurs de thèse : A. R. BUNSELL, J. RENARD Jury Mme. M.-C. LAFARIE-FRENOT Présidente M. A. VAUTRIN Rapporteur Mme. P. KRAWCZAK Examinatrice M. P. CASTAING Examinateur M. A.R. BUNSELL Directeur de thèse M. J. RENARD Directeur de thèse Centre des Matériaux P.M. Fourt de l’Ecole des Mines de Paris, BP 87, 91003 EVRY Cedex i REMERCIEMENTS Je tiens tout d’abord à remercier mes directeurs de thèse Anthony Bunsell et Jacques Renard pour m’avoir accordé très largement leur confiance pour ces travaux de recherche. J’ai beaucoup apprécié leur disponibilité, la qualité de nos échanges, les tentatives de discussions en anglais…La pertinence de leurs points de vue et de leurs conseils ont été d’une grande richesse pour moi et ont permis d’orienter l’étude au mieux et d’atteindre les objectifs fixés. En parallèle, je remercie le CETIM pour m’avoir donné l’opportunité de travailler sur ce sujet concret et motivant. Merci à H. Mallard et P. Castaing, qui en sont à l’origine et qui ont suivi son évolution. Merci aussi aux directeurs successifs du Centre des Matériaux, Jean-Pierre Trottier et Esteban Busso, de m’avoir accueilli pendant ces trois années. Je remercie vivement les membres du jury pour l’attention qu’ils ont portée à mon travail et pour les échanges scientifiques qui ont pu en découler avant ou pendant la soutenance. Merci aux rapporteurs, M.-C. Lafarie Frenot et A. Vautrin, et aux examinateurs, P. Krawczak et P. Castaing. Je tiens ensuite à remercier le Centre des Matériaux dans tout son ensemble. Un grand merci à Alain Thionnet pour sa disponibilité, la contribution qu’il a apportée à ce projet et sans qui l’avancée du modèle développé n’en serait sûrement pas là aujourd’hui. Merci ensuite à Yves Favry, Jean-Christophe Teissèdre et Yann Auriac, qui ont su apporter toutes leurs compétences à cette étude, à de nombreuses occasions et dans de nombreux domaines (la liste serait trop longue…). Leur expérience dans le laboratoire m’a été précieuse. Merci également à Anne Piant pour ses nombreux conseils, dans la préparation des exposés notamment. J’en profite pour remercier Michel Boussuge de nous avoir accueillis (et supportés) chez lui, lors de l’ECCM. Je remercie aussi les spécialistes des équipements, notamment Maria Betbeder pour les observations au MEB, Alain Naslot, Joseph Valy, et tous les membres de l’atelier. Merci aussi à Grégory qui a permis de résoudre bon nombre de problèmes informatiques. Pour tous les petits coups de pouce dans l’utilisation de ZéBuLoN, je n’oublie pas non plus les membres de l’équipe Cocas, et tous les autres (la liste est longue…). Je remercie également Odile Adam pour son aide dans la recherche bibliographique Liliane Locicero et Valérie Lemercier pour toutes les démarches administratives. ii Je terminerai ce petit tour du Centre par tous les autres, avec qui j’ai partagé de très bons moments, en particulier les déjeuners gastronomiques de la SNECMA, les pauses-café où l’on refait le monde, les trajets plus-que-remuant de la navette, l’organisation des petits déjeuner emploi… : Anne, Anne-Sophie, Bénédicte, Benjamin, Céline, Christophe, Edwige, Elodie, Géraldine, Jean-Christophe, José, Julie, Kamel, Karine, Ludovic, Mélissa, Michel, Nicolas, Olivier, Pongsak, Sandrine, Sébastien(s), Stéphanie, Sylvain, Virginie, Yann(s), Yves... Enfin l’ensemble du personnel qui contribue à la dimension chaleureuse de ce centre de recherche. Je souhaite de plus remercier les personnes qui m’ont permis de traverser ces trois années de la meilleure façon et de ne pas penser qu’à la thèse : les tennismen du PUC, les théâtreux de Bistronoia, les amis lyonnais, auvergnats, rodéziens, bretons-normands, de la rue couche et d’ailleurs… Finalement, je remercie de tout cœur Véronique, pour m’avoir supporté (et supporter encore) et encouragé tout au long de ces trois années (et bien avant aussi…). Merci à Ghislaine et à tous les Degoute. Merci à mes parents et toute ma famille, qui m’ont toujours soutenu. Merci à toutes et tous. ****** iii L’étude présentée ici a été réalisée au Centre des Matériaux P.M. Fourt de l’Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris (ENSMP), en collaboration avec le Centre Technique des Industries Mécaniques (CETIM) de Nantes, dans le cadre du laboratoire commun LAMPC. ****** iv v RESUME La présente étude traite de la durabilité (vieillissement) en milieu humide et de l’endommagement par fissuration de matériaux composites à matrice organique (CMO). La diffusion d’eau dans le matériau (matrice époxy renforcée par des fibres de verre) est tout d’abord analysée expérimentalement par détermination des cinétiques d’absorption sous différentes conditions d’humidité. Des baisses de différentes propriétés mécaniques en fonction de la quantité d’eau absorbée sont mises en évidence et quantifiées lors d’essais expérimentaux de traction. Les mécanismes physiques à l’origine de ces modifications sont identifiés. Un mode d’endommagement particulier, la fissuration intralaminaire, ainsi que son couplage avec l’humidité, sont aussi étudiés expérimentalement. Des différences entre évolutions réversibles et irréversibles de propriétés sont mises en évidence et analysées en détail. Un modèle prédictif qui prend en compte les effets d’endommagements d’origine hydrique et/ou mécanique est alors proposé. Un calcul couplé diffusion/mécanique, sur un logiciel de modélisation par éléments finis, permet de déterminer le comportement global du matériau, connaissant le gradient de propriété suivant l’épaisseur. Il est donc possible de suivre en continu au cours du vieillissement l’évolution de rigidité du matériau, pour n’importe quel état de fissuration et d’absorption (i.e. n’importe quel état intermédiaire entre état sec et état saturé en eau). Des essais numériques de cyclages, à la fois de chargement mécanique (charge-décharge) et de vieillissement (absorption-séchage) ont enfin été menés avec succès. Il est ainsi possible de simuler n’importe quelle condition (température, humidité, épaisseur, chargement appliqué) et donner une estimation des propriétés du matériau tout au long de son utilisation. Mots clés : matériau, composite, vieillissement, diffusion, endommagement, fissuration, modélisation, dimensionnement. vi vii ABSTRACT The aim of this study was to better understand the aging of glass fibres-epoxy composites exposed to humid conditions and loading so as to predict its effects on the lifetimes of composite structures. Water diffusion was first experimentally investigated by gravimetric method to determine water sorption kinetics for different humid conditions. A fickian model of diffusion could describe the results obtained. Specimens, saturated at different levels, were mechanically characterised. Decreases of mechanical properties as a function of water uptake were revealed by tensile tests. Damage by cracking and the coupling with humidity were then studied. Differences between reversible and irreversible changes in properties were revealed and analysed in detail. A predictive model taking into account effects due to water and/or mechanical loading is proposed, using finite element method. As a first step, in modelling the diffusion process, the non-uniform water distribution across the composite are determined for any conditions (temperature, humidity, aging time). The resulting mechanical properties of the material, as a function of the absorbed water concentration, are determined in each point. Then, diffusion/mechanic coupled calculation allows to determine material global properties from properties at each point. It is then possible to predict continuous evolution of rigidity during aging time, at all stages of water absorption and matrix cracking, for any condition (temperature, humidity, thickness, mechanical loading level). Keywords : material, composite, aging, diffusion, damage, cracking, modelling, prediction. viii ix SOMMAIRE INTRODUCTION PARTIE 1 - BIBLIOGRAPHIE ET PRESENTATION DE L’ETUDE………………….7 CHAPITRE I - BIBLIOGRAPHIE………………………………………………….….…..9 I.1 PROCESSUS D’ABSORPTION D’EAU......................................................................................................11 I.1.1 Diffusion Fickienne .................................................................................................................12 I.1.2 Influence du taux d’humidité relative....................................................................................15 I.1.3 Influence de la température....................................................................................................16 I.1.4 Diffusion non fickienne ..........................................................................................................18 I.1.5 Influence de l’orientation des fibres……………………………………………....….20 I.1.6 Cinétiques de séchage..............................................................................................................21 I.2 EFFETS DU VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE............................................................................24 I.2.1 Mécanismes d’hydrophilie…………………………………………………………...24 I.2.2 Vieillissement physique - Plastification.................................................................................26 I.2.3 Vieillissement chimique...........................................................................................................27 I.2.4 Effets de l’humidité sur les fibres de verre...........................................................................28 I.2.5 Effets du vieillissement sur l’evolution des propriétés thermomécaniques.....................28 I.2.6 Observations microscopiques des défauts crées au cours du vieillissement ...................35 I.3 PHENOMENE D’ENDOMMAGEMENT PAR FISSURATION TRANSVERSE...........................................38 I.3.1 Mécanismes d’endommagement dans les composites........................................................38 I.3.2 La fissuration transverse -ou intralaminaire-........................................................................39 I.3.3 Couplage vieillissement/endommagement uploads/Geographie/ the-se-julien-mercier-ecole-de-mine-de-paris-2006.pdf