Étude du vieillissement des assemblages structuraux acier/aluminium : influence de l’environnement sur le dimensionnement

Steel/aluminum structural assembly study : influence of hydrothermal ageing on structure dimensioning

• Auteur / Autrice : Olivier Mario
• Direction : Jacques Renard, Martin Shanahan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie du transport

Matériaux -- Détérioration

Surfaces (technologie)

Adhésifs

Assemblages collés

Résumé

L’objectif de cette étude est de s’intéresser au comportement d’un adhésif structural chargé de type époxydique, à l’état massique d’une part et au sein d’un assemblage réalisé entre deux substrats métalliques d’autre part, afin de dimensionner une structure uniquement collée, un train arrière de voiture dont la traverse est en acier et les bras en aluminium. Les analyses des joints ont mis en évidence le rôle prépondérant joué par la microstructure. Les charges de talc sont constituées de feuillets dont les énergies de cohésion inter-feuillets sont très faibles. Après la réticulation à haute température, au cours du refroidissement, des contraintes vont se localiser autour de ces charges et conduire à un endommagement responsable de la chute des propriétés élastiques du joint. La conséquence première est que la contrainte à rupture du joint est directement reliée à la fraction de charges. La diffusion d’eau dans la matrice polymère se fait selon une cinétique non fickienne. L’eau est présente dans une première phase, liée aux sites polaires du polymère, et dans une seconde, sans interaction avec la matrice. Les propriétés mécaniques et physico-chimiques mesurées sur l’adhésif massique varient proportionnellement à la concentration d’eau présente dans l’adhésif. Ce modèle, transposé aux joints collés permet là aussi de parfaitement modéliser les évolutions des propriétés mécaniques en fonction du vieillissement. L’ensemble de ces résultats rassemblé au sein d’un modèle même numérique permet de connaître précisément l’état d’une structure après vieillissement et permet donc ainsi de dimensionner la structure industrielle souhaitée.

The objective of this work is to study the behaviour of a filled structural epoxy adhesive, in both its bulk state and as used to form a bonded assembly realised between two metallic substrates. This behaviour has to be characterised in the initial state but also after hydrothermal ageing, in order to dimension a bonded structure. Microscopic analyses underline the dominating role played by the microstructure. The fillers (of talc especially) are composed of layers with weak, cohesive, inter-layer energy. After crosslinking at high temperature, and during cooling, stresses are induced around these fillers and lead to local damage, responsible for the reduction of the elastic properties of the joint. Under strain, the talc layers exfoliate and create a microscopic crack network in the joint. The final crack leading to failure passes preferentially through these fillers. The first consequence is that the maximum stress is directly linked to the fractional filler content. Water diffusion into the polymer matrix follows non-Fickian kinetics. Water is present in a first phase, linked to the polar sites of the polymer, and in a second phase, without interaction with the matrix. The mechanical and physicochemical properties measured on the bulk adhesive vary proportionally with the water concentration within the adhesive. This model, transposed to the adhesive bonded joints, also allows us to describe the evolution of mechanical properties according with ageing. All these results gathered together in a numerical model allow us to know the state of a structure after ageing and allow us to dimension the desired industrial structure.