Caractérisation de la variation volumique du polyethylène au cours de la deformation plastique en traction et en fluage

Characteization of volume strain during plastic deformation under uniaxial tension and creep in polyethylene

• Auteur / Autrice : Frédéric Addiego
• Direction : Christian G'Sell
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et ingénierie des matériaux
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fluage

Polyéthylène

Déformations (mécanique)

Résumé

Le comportement mécanique du polyéthylène à phase amorphe caoutchoutique est déterminé en traction uniaxiale et en fluage à l'aide du dispositif d'essais mécaniques VidéoTraction©. Cette technique donne accès à la loi de comportement et à la variation de volume d'un élément volumique représentatif situé au niveau de la striction. Les courbes obtenues sont dépendantes des conditions expérimentales et de la microstructure du polyéthylène. Les résultats les plus inattendus concernent les variations volumiques : après une expansion initiale d'origine élastique, on observe une compétition entre un phénomène de compaction et un effet de dilatation. L'utilisation d'autres techniques de densitométrie (microtomographie, radiographie et pesée hydrostatique) et une recherche fine des sources d'erreur du dispositif d'extensométrie ont permis de confirmer la tendance générale à l'endommagement plastique et la faible contribution du phénomène de compaction. L'évolution des propriétés microstructurales du polyéthylène est étudiée par microscopie électronique à balayage et par diffraction des rayons X pour identifier les mécanismes microscopiques à l'origine des processus de déformation volumique. Nous avons ainsi distingué les propriétés de la matrice polymère et celles des microcavités. La matière est le siège de deux processus volumiques opposés qui se compensent presque exactement : la perte de cristallinité (dilatation) et l'orientation des chaînes amorphes (compaction). Dès lors, les mécanismes de cavitation sont prédominants dans les variations de densité macroscopique. Un modèle permettant de prédire l'intensité des processus de dilatation à partir des propriétés physico-chimiques du polyéthylène est développé. Enfin, le comportement mécanique global est décomposé en une partie intrinsèque, représentant la réponse de la matrice polymère, et une partie volumique, correspondant aux processus de cavitation

The mechanical behavior of polyethylene with a rubbery amorphous phase is determined by the means of the VidéoTraction© system under uniaxial tension and creep. This technique gives access to the constitutive behavior but also to the volume strain of a representative volume element situated at the center of the neck. It is found that the stress - strain curves depend on experimental conditions and on the microstructure of the polyethylene. The most unexpected result is the evolution of volume strain: one notes a competition between a compaction phenomenon and a dilatation process after the initial elastic expansion. Other densitometric techniques (microtomography, radiography, hydrostatic weighing) have been used to measure volume variation of the materials, and a critical evaluation of experimental errors arising from our video extensometer has been carried out. From theses studies, it is concluded that volume dilatation is the leading phenomenon while compaction effect are of second order. Scanning electron microscopy and X-ray diffraction investigations have been performed on diferent déformation states in order to identify the microscopic origin of recorded volume changes. The overall behavior is controlled both by the evolution of the solid polymer matrix and by the development of cavitation. The polymer matrix is affected by two opposite processes that compensate nearly exactly one another: dilatation due to crystalline order destruction and compaction due to orientation of amorphous chains. As such, cavitation is the most active mechanism that controls macroscopic volume strain. A theoretical damage factor predicting the experimental dilatation amplitude has been developed from the microstructural parameters of the polyethylene. The overall mechanical equations have been decomposed into an intrinsic component (the matrix behavior) and a volume component (the cavitation behavior)