Etude des mécanismes de rupture des fibres dans les composites UD verre/epoxy sous sollicitation de fatigue longitudinale en milieu humide : application d'un modèle de corrosion sous contraintes

Study of fibre failure mechanisms within unidirectional glass/epoxy composites subjected to longitudinal fatigue in wet environments : application of a Stress Corrosion cracking model

• Auteur / Autrice : Vincent Pauchard
• Direction : Antoine Chateauminois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ingénierie et fonctionnalisation des surfaces (Ecully, Rhône....-2003)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fatigue

Fibres de verre

Rupture, Mécanique de la

Corrosion

Verre

Composites

Mots clés libres

Vieillissement hygrothermique

Résumé

L'objet de cette étude est la dégradation des composites unidirectionnels (UD) verre/époxy sous sollicitations environnementales (humidité) et mécaniques (fatigue en flexion longitudinale 0°) combinées. Dans ces conditions, il est établi que l'endommagement est largement tributaire de la rupture différée et diffuse de monofilaments sur la face en traction des éprouvettes. Ceci résulte de la propagation sous-critique des défauts superficiels du verre, dont la cinétique dépend fortement de l'environnement physico-chimique local et notamment de la concentration en eau. Sur la base de ces acquis, il a été entrepris une analyse multi-échelles du premier endommagement: (i) un modèle statistique de corrosion sous-contrainte a été validé sur mèches de fibres non imprégnées, au moyen d'essais de traction instrumentés en émission acoustique ; (ii) ce même modèle a été appliqué dans un Volume Elémentaire Représentatif au sein d'un composite, grâce à un dispositif de flexion instrumentée en analyse d'images ; (iii) une relation empirique simple entre le nombre de fibres rompues au centre et en surface de l'éprouvette et la raideur de celle-ci a permis de proposer une approximation analytique de la perte de raideur de la poutre de flexion sous sollicitation monotone ou statique ; (iv) les potentialités et les limites de ce modèle dans le cas de sollicitations dynamiques ont enfin été abordée grâce à un dispositif de fatigue en immersion. Il est apparu que cette approche permettait largement de rendre compte de l'effet de la température, du niveau de charge, de la fréquence et du rapport de sollicitation.

The fatigue behaviour of unidirectional glass/epoxy composites under longitudinal bending or tensile loading is known to be largely dominated by the delayed fracture of the fibre reinforcement. Often refereed as stress corrosion cracking (SCC), these processes are controlled by the sub-critical growth of glass surface defects under the combined action of stress and moisture. On this basis we have conducted a multi-scale analysis on the early stages of damage development: (i) a statistical model of Stress Corrosion Cracking have been validated during tensile tests on dry fibres bundles by means of Acoustic Emission; (ii) the same model have been applied to an elementary volume within a flexural beam by means of in situ optical observations; (iii) an empirical relationship between the number of fibre breaks on the tensile side in front of the loading nose and the relative stiffness of the specimen allowed us to propose an analytical approximation of the stiffness loss of flexural beams under static or quasi-static loading; (iv) potential and limitations of this approach for dynamic fatigue were investigated in immersion in hot water. It appeared that our model allowed to take into account of thermal activation, strain level, solicitation ratio and frequency.