Caractérisation rapide des propriétés en fatigue d’un polymère renforcé par des fibres courtes, pour une application automobile

Rapid characterization of fatigue properties of short fibers reinforced thermoplastics, for automotive applications

• Auteur / Autrice : Loïc Jégou
• Direction : Sylvain Calloch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique des matériaux, des structures et des fluides
• Date : Soutenance le 22/11/2012
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire brestois de mécanique et des systèmes (2008-2015)
• Partenaire(s) de recherche : établissement d'accueil : École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne (Brest ; 2010-2024)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Régnier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Calloch, Gilles Régnier, Lucien Laiarinandrasana, Andrea Bernasconi, Laurent Sohier, Yann Marco
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lucien Laiarinandrasana, Andrea Bernasconi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermoplastiques

Automobiles -- Matériaux -- Fatigue

Mots clés libres

Fatigue

Injection

Polymère renforcé

Auto-échauffement

Critère énergétique

Fatigue

Injection

SFRP

Heat build-up

Energetic fatigue criterion

Résumé

L’industrie automobile est confrontée à la problématique de dimensionnement en fatigue de pièces structurelles en polymères thermoplastiques. En effet, de nombreux facteurs liés à l’environnement ou aux conditions de service influencent la tenue en fatigue. Les campagnes d’essais en fatigue classiquement menées sont longues (1 mois pour une condition donnée). L’objectif de cette thèse est d’accélérer la caractérisation en fatigue de ce type de matériau en utilisant des essais d’auto-échauffement. Une première analyse empirique est démontrée possible et permet d’estimer l’endurance limitée à 106 cycles. L’analyse des indicateurs mécaniques et de l’évolution de la microstructure (MEB et Micro-tomographie rayon X) durant les paliers de chargements confirme l’existence d’un seuil correspondant à cette endurance limitée. Dans un second temps, une méthode est proposée en associant un critère énergétique à la courbe d’auto-échauffement complète afin de prédire en moins de 2 jours une courbe de Wöhler déterministe. Ce critère est confronté à l’étude de facteur influent telle la géométrie de l’échantillon ou la reprise en eau du matériau. Une courbe unifiée reliant l’énergie dissipée par cycle au nombre de cycles à la rupture est proposée. Enfin, la méthode est appliquée avec succès à l’étude de structures.

Designing short fibers reinforced thermoplastics (SFRP) components is now a major concern for the automotive industry. This task is difficult because of the numerous factors affecting the fatigue lifetime coupled to long fatigue campaigns (usually a month for a given experimental condition).The objective of this thesis is to apply a heat built-up protocol on a SFRP used for structural automotive applications (PA66GF50, a polyamide filled with 50% of glass fiber in mass) to predict quickly the fatigue properties from temperature measurements. A heat build-up protocol developed for metallic materials has been used to speed up the fatigue characterization of PA66GF50. The life time estimation given by a first rough analysis is compared successfully to the fatigue curve obtained from a classical campaign. To understand what is caught from the thermal measurements, the evolution of the microstructure throughout the heat build-up test was investigated by X-ray micro-tomography and SEM and compared to the evolution of the mechanical features. In order to provide a relation between the full heat build-up curve and the Wohler curve, the dissipated energy is then evaluated from the thermal measurements and the parameters of an energetic fatigue criterion are identified from the results obtained from one single sample. The fatigue curve predicted from the heat build-up curve and obtained in 2 days, is compared to the one obtained from a classical fatigue campaign and the agreement is very good. The energy based criterion as well as the identification of the dissipation sources from the temperature measurements are finally challenged by an experimental campaign achieved on a sample with a different geometry and different water content. Dissipated energy curve seems unified results. Finally, the method is applied to the study of the lifetime of structures.