Etude du comportement mécanique des polymères en rayure

Study of the mechanical behaviour of polymers in scratch test

• Auteur / Autrice : Nicolas Aleksy
• Direction : Alain Vautrin, Jean-Michel Bergheau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et ingéniérie
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Rayures (ornements)

Polymères amorphes

Résumé

Le travail porte sur l’établissement d’un modèle numérique d’un polymère amorphe dans l’état vitreux lors d’un essai mécanique de rayure de type labourage sphérique. Le modèle après validation a permis de simuler l’essai et a conduit à une interprétation renouvelée des phénomènes intervenant dans le processus. Après une partie bibliographique rappelant le phénomène de rayure des polymères solides amorphes, l’effet sur la recouvrance en rayure de différents types de rhéologies classiquement mises en œuvre est abordé. Le modèle élastique-viscoplastique d’Arruda-Boyce implémenté ne permet de prendre en compte que la sensibilité à la vitesse de sollicitation du seuil de plasticité. Il est montré que l’ajout de la viscoélasticité peut entraîner des modifications intéressantes sur les grandeurs caractéristiques de la rayure dans la gamme de transition viscoélastique des polymères. Les nano-rayures expérimentales réalisées sur des échantillons de PMMA confirment la sensibilité du comportement mécanique à la vitesse de rayure. Pour rendre compte des profondeurs de pénétration de l’indenteur mesurées à différentes vitesses de rayage, le modèle élastique-viscoplastique d’Arruda-Boyce n’apparaît pas suffisant. Un modèle viscoélastique-viscoplastique se présente alors comme une solution possible. L’existence d’un échauffement localisé sous l’indenteur est mis en évidence. Il engendre une modification du comportement du PMMA en rayure d’autant plus importante que la vitesse de rayage est élevée. Le phénomène de cicatrisation des polymères amorphes, consistant en un traitement thermique pour réduire les déformations résiduelles, peut alors être vu comme une recouvrance viscoélastique déclenchée par l’élévation de température et le durcissement hyperélastique de ces matériaux.

The objective of the study is to develop a numerical model which describes the behaviour of amorphous glassy polymers submitted to a mechanical scratch test under ploughing and spherical conditions. After experimental validation, the model is used to simulate the scratch test conditions and clarify the interpretation of phenomena which occur during the mechanical process. First, a review of scratch tests applied to solid amorphous polymers is given and introduces the study and shows the sensitivity of the strain recovery to different classical stress/strain relations. It is shown that the elastic-viscoplastic model of Arruda and Boyce can account for the sensitivity of the yield stress to the strain rate only. However, when some viscoelastic behaviour is introduced, significant changes of the characteristic values of the scratch test can be obtained. Experimental nano-scratch tests carried out on PMMA (polymethylmetacrylate) samples confirm that this material may display time-dependent mechanical effect. The elastic-viscoplastic model of Arruda and Boyce is proved not to be sufficient to model the relationship between the scratching velocity and the experimental penetration depth. In that particular case, a viscoelastic-viscoplastic model seems to lead to a reliable solution. Finally, it is shown that an increase of the temperature can occur close to the tip in a scratch test. This thermal effect introduces some modifications of the behaviour of the PMMA in scratch test directly proportional to the scratch velocity. The healing phenomenon of the amorphous polymers, which is based on a heating of the sample in order to reduce the residual deformation, can be regarded as a viscoelastic thermally activated recovery and a hyperelastic hardening of the material.