Influence de la formulation sur les propriétés en fatigue d'élastomères industriels

Influence of the formulation on the fatigue properties of elastomeric materials

• Auteur / Autrice : Isaure Masquelier
• Direction : Yann Marco
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 03/12/2014
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la mer (Plouzané, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire brestois de mécanique et des systèmes
• Jury : Président / Présidente : Éric Charkaluk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Marco, Éric Charkaluk, Lucien Laiarinandrasana, Sylvie Castagnet, Vincent Le Saux, Philippe Pilvin, Malick Diakhaté, Bertrand Huneau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lucien Laiarinandrasana, Sylvie Castagnet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fatigue

Élastomères

Mots clés libres

Élastomères

Fatigue

Caractérisation thermomécanique et microscopique

Mécanismes d’endommagement

Critère énergétique

Elastomeric materials

Fatigue

Thermomechanical and microscopic characterization

Damage mechanisms

Energetic criterion

Résumé

Cette étude concerne l’influence de la formulation sur les propriétés en fatigue des élastomères. Pour cela, douze matériaux ont été préalablement choisis de façon à ce que leur formulation soit simplifiée mais représentative de celles de matériaux industriels. La première partie de l’étude vise la description des mécanismes et des scénarios d’endommagement par fatigue, pour différents matériaux, niveaux de sollicitation et pourcentages de durée de vie. Une vaste campagne d’essais de fatigue interrompus a été menée permettant une analyse statistique de la population de défauts. Ces données ont permis d’une part de proposer des scénarios de ruine pour les différents matériaux étudiés, et d’autre part d’identifier deux types de mécanismes d’amorçage autour d’inclusions de différentes natures. La deuxième partie de l’étude vise à comprendre les mécanismes d’amorçage de fissure de fatigue. Un protocole expérimental permettant d’obtenir les champs d’énergie dissipée directement à partir des champs de température mesurés a été mis en place. Ce protocole a d’abord été développé à une échelle macroscopique et validé grâce à des simulations par éléments finis. Il a ensuite été appliqué avec succès à l’échelle des inclusions pour des cas 2D. Enfin, la troisième partie de cette étude propose un critère énergétique basé sur un protocole d’auto-échauffement permettant une détermination rapide des propriétés en fatigue. L’approche proposée utilise un critère à deux paramètres et permet de prédire la courbe de Wöhler déterministe avec une seule éprouvette, en une demi-journée d’essai et uniquement à partir de mesures thermiques. Ce critère a été validé sur une large gamme d’élastomères, et s’avère capable de rendre compte de l’influence de la gomme, du taux et du type de charges.

This study deals with the influence of the formulation on the fatigue properties of elastomeric materials. Twelve materials have been chosen so that their formulations are simplified but representative of these used in the industry. The first part of the study aims to describe the fatigue damage mechanisms and scenarios, for different materials, strain levels and fatigue life durations. A large experimental campaign of interrupted fatigue tests has been performed enabling a statistical analysis of the defects population. On one hand, these data led to propose damage scenarios for the studied materials, and on the other hand, to identify two classes of initiation mechanisms around different nature of inclusions. The second part of this study aims to better understand the fatigue crack initiation mechanisms. An experimental protocol enabling to obtain directly the dissipated energy fields from the measurement of the temperature fields has been set up. This protocol has been first developed at the macroscopic scale and validated thanks to numerical simulations. Then, it has been applied successfully at the scale of inclusions for 2D cases. Finally, the third part of this study suggests an energetic criterion based on a heat build-up protocol leading a fast determination of the fatigue properties. This approach uses a criterion with two parameters and is able to predict the deterministic Wöhler curve with one sample, in half a day and thanks to thermal measurements only. This criterion has been validated on a wide range of elastomeric materials and is able to reflect the influence of the gum, the type and the amount of carbon black.