Fracture in asymmetric bonded joints

par Michal Budzik

Thèse de doctorat en Mécanique et ingénierie

Sous la direction de Martin Shanahan et de Krystyna Imielinska.

Le jury était composé de Julien Jumel, Marek Szkodo, Andrzej Zielinski.

Les rapporteurs étaient Wulff Possart, Michal Wasilczuk, Andrew Wronski.


  • Résumé

    Des tests de fissuration ont été réalisés sur des joints collés asymétriques. Ces assemblages asymétriques sont constitués de deux substrats de nature et/ou d’épaisseur différentes liés par un adhésif. Cette géométrie d’éprouvette semble peu utilisée pour effectuer des essais de fissuration. Elles présentent certains inconvénients et de ce fait n’ont fait l’objet d’aucune normalisation. Dans le cadre cette géométrie d’éprouvette d’essai a été néanmoins été retenue et utilisée dans trois configurations différentes pour la caractérisation mécanique des assemblages collés. Des protocoles d’essai et les schéma d’analyse associés ont été définis pour des essais de fissuration à vitesse de déplacement imposé (CRT : Constant Rate Test), à force imposée (CFT : Constant Force Test) ainsi qu’à déplacement imposé (CDT : Constant Displacement Test). Les analyses ont pu être étalonnées au moyen d’un étau matérialisant artificiellement la position d’un fissure. De nombreuses configurations ont été étudiées à l’occasion de ce travail tant du point de vue des adhésifs utilisés (epoxy, cyanoacrylate, acrylic mastic, PSA) que du point de vue des substrats encollés (alliage d’aluminium, composite à matrice organique, polycarbonate). Ces nouveaux tests s’avèrent prometteurs car ils permettent de suivre de façon continu et précision la propagation de fissure au sein de la liaison. En outre, l’analyse des déformations mesurées par extensométrie lors d’essai réalisés à déplacement imposé (CDT) permet un suivi précis de la réponse de la couche adhésive dans la zone contrainte et d’estimer la taille de cette dernière, y compris lorsque la colle est dans un état métastable. Un autre résultat important de ce travail concerne l’analyse de la modification du front de fissure celle-ci voit une diminution de l’adhésion entre les deux substrats. Enfin, un calcul plus précis du taux de restitution d’énergie a été proposé pour prendre en compte le caractère élastique de la couche adhésive, mais permettant aussi de mieux appréhender la redistribution des contraintes dans la colle, et ainsi mieux interpréter les essais mécaniques réalisés. Des analyses par Microscopie à Force Atomique (AFM) ainsi qu’au microscope électronique à balayage (MEB) ont été effectués sur les substrats encollés pour évaluer l’impact des traitements de surface. Des simulations numériques par la method des éléments finis ont été réalisées pour determiner l’état de contrainte dans nos éprouvette d’essai et ainsi expliquer la courbure du front de fissure et les faciès de rupture observés. Les nouvelles configurations expérimentales décrites dans ce manuscript nous paraissent prometteuses car elle offrent une amelioration très significative en terme de fiabilité et précision comparativement aux tests présentés habituellement pour ce type de travaux.


  • Résumé

    Adhesion was studied in asymmetric bonded joints using fracture mechanics tests. The asymmetric bonded joints consist of two different type and/or thickness materials bonded by an adhesive. Mentions of asymmetric bonded joint tests employed so far are rare in the literature. They are imperfect and therefore are not standardized. Accordingly three new tests were introduced in this work to study bonded joints. The new metrological routines and models were built for the CRT (Constant Rate Test), CFT (Constant Force Test) and the CDT (Constant Displacement Test). The routines were validated with the new Artificial Crack Tip test developed in this thesis. Different bonded systems were examined: the adhesives - epoxy, cyanoacrylate, acrylic mastic, PSA; the bonded adherends - aluminium alloys, CFRP composites and polycarbonate. The results obtained in the new tests are very promising in terms of the accuracy and continuous observation of crack kinetics. In addition it was found that the novel strain gauge technique, introduced in the CDT, test allows precise joint monitoring when the adhesive is in a metastable state and a precise estimation of process zone. Another interesting achievement of this work was describing the phenomenon of double crack curvature in the vicinity of the strong – weak adhesion transition zone. The next achievement was derivation of the strain energy release rate from the elastic foundation model, which gives better understanding of the mechanics and the measurements behind adhesive bonding. Atomic Force Microscope (AFM) and Scanning Electron Microscope (SEM) studies were made of the bonded substrates to estimate the surface treatment effects. The stress state in asymmetric geometry was studied using finite element analysis (FEA), which explained the formation of the curved crack front and the origin of river patterns. The new tests developed in this study appear promising since they offer accurate and reliable results for the materials tested.


  • Résumé

    W pracy przedstawiono wyniki badan asymetrycznych zlaczy adhezyjnych z wykorzystaniem prób mechaniki pekania. Asymetryczne zlacza klejone powstaja przez polaczenie dwóch dowolnych materialów, o innym wskazniku na zginanie, za pomoca kleju. Zaproponowano trzy nowe metody eksperymentalne dla których zaprojektowano i zbudowano stanowiska badawcze. Poprawnosc modeli fizycznych i matematycznych wykorzystanych do interpretacji badanych zjawisk potwierdzono wykorzystujac opracowana w pracy próbe ze sztucznym frontem pekniecia. Próby przeprowadzono na zlaczach klejonych wykorzystujac kleje: epoksydowe, cjanoakrylowy, typu Mastic i PSA, laczonymi materialami byly: stopy aluminium, kompozyt weglowy oraz poliweglan. Wyniki badan uzyskane przy wykorzystaniu nowych metod wskazuja na ich pewnosc i dokladnosc, dodatkowo umozliwiaja ciagla obserwacje propagujacego pekniecia. Nowa metoda pomiaru parametrów mechaniki pekania oparta na pomiarach tensometrycznych zostala z powodzeniem zastosowana do zlaczy w których klej znajduje sie w stanie metastabilnym. W pracy zaobserwowano i przeanalizowano zjawisko powstawania podwójnego frontu pekniecia na granicy osrodków o róznych silach adhezji, dotad nie opisanego. Po raz pierwszy wyprowadzono równanie szybkosci uwalniania energii sprezystej wykorzystujac model belki na sprezystym podlozu, co umozliwia lepsze zrozumienie zachowania sie zlaczy klejonych. Przeprowadzone badania z uzyciem mikroskopii sil atomowych (AFM) oraz skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) umozliwily ocene efektów obróbki powierzchniowej stopów aluminium. W pracy dokonano analizy naprezen w asymetrycznych zlaczach adhezyjnych z wykorzystaniem metody elementów skonczonych (FEM). Analiza FEM pozwolila na wyjasnienie zjawiska powstawania zakrzywionego frontu pekniecia w badanych przelomach. Zaproponowane nowe metody badan zlaczy asymetrycznych zapewniaja dokladnosc i pewnosc pomiaru dla materialów wykorzystanych w badaniach.


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