Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Tous les domaines industriels recherchent dans les matériaux composites des caractéristiques spécifiques (absorption optimale des chocs, propriétés mécaniques élevées, bonne tenue sur le long terme…). Mais plus récemment, un critère est devenu incontournable dans les exigences : le dimensionnement à la fatigue. En effet, les matériaux composites sont aujourd'hui utilisés dans des structures très sollicitées. Pour mettre en œuvre un matériau qui réponde au mieux à l'application envisagée tout en améliorant la résistance à la fatigue, il est nécessaire de bien comprendre les mécanismes de dégradation en fatigue, et de savoir comment prendre en compte au mieux les différents facteurs dont dépend la fatigue des matériaux composites (la nature des fibres et des résines, du drapage, de la qualité des interfaces...).
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Jacques RENARD : Directeur de Recherche - Comportement mécanique des composites et des assemblages - Mines ParisTech, Centre des Matériaux UMR CNRS 7633
INTRODUCTION
La pénétration des matériaux composites dans de nombreux secteurs industriels, tels que ceux du transport, nécessite une confiance accrue envers ces matériaux, portée par des méthodes de dimensionnement fiables.
Le choix des matériaux résulte alors d’une optimisation multicritère. Parmi ces critères et selon les applications, citons sans être exhaustif les propriétés mécaniques, certaines propriétés fonctionnelles (optiques, électromagnétiques…), une légèreté structurale pour répondre à des exigences environnementales, des contraintes de coûts… C’est ainsi que l’on recherche des propriétés mécaniques élevées dans le domaine aéronautique, des capacités d’absorption aux chocs dans le domaine automobile, une bonne tenue mécanique sur le long terme dans le domaine naval.
À tous ces critères est venue s’ajouter, depuis plusieurs années et de manière cruciale, une exigence de dimensionnement à la fatigue. La raison en est que les matériaux composites ne sont plus confinés à des parties dites secondaires, c'est-à-dire ne reprenant que peu d’efforts, mais à des structures primaires largement sollicitées, pour lesquelles une sécurité accrue est exigée.
La conséquence immédiate est une augmentation des épaisseurs des stratifications qui n’est pas sans soulever de nouvelles questions. En effet les structures stratifiées développent dans leur épaisseur des contraintes interlaminaires susceptibles d’engendrer des décollements entre plis appelés délaminages, très préjudiciables pour la tenue mécanique. Là où certains phénomènes de fatigue pouvaient être évités, ils peuvent devenir incontournables.
Peut-on toujours parler d’une résistance exceptionnelle à la fatigue, d’un rapport élevé entre la limite d’endurance et la résistance en traction et du peu de sensibilité à l’effet d’entaille par comparaison à des alliages d’aluminium lors de sollicitations cycliques ?
Pour répondre à ces questions, il faut d’abord comprendre les mécanismes de dégradation en fatigue. Concevoir des structures porteuses en matériaux composites nécessite des outils de dimensionnement et de prédiction de durée de vie fiables. Les principaux modèles de comportement et de rupture sous différentes sollicitations cycliques sont revus et les tendances les plus récentes du dimensionnement à la fatigue sont étudiées.
Notons que le cas des polymères renforcés par des fibres coupées n’est pas abordé ici.
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Fatigue en traction
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2. Prédiction de durée de vie en fatigue. Notion de courbe d’endurance
L’utilisation croissante des matériaux composites à hautes performances tient sans doute à leur résistance exceptionnelle à la fatigue. Encore plus légers que les alliages d’aluminium, ils sont nettement meilleurs que ces derniers lorsqu’ils sont soumis à des sollicitations cycliques.
Comme critère, on a l’habitude d’évaluer le rapport σD /Rm de la limite d’endurance (ou limite de fatigue) σD à la résistance en traction Rm .
Pour les matériaux composites, ce rapport est toujours supérieur à 0,4 et peut atteindre 0,9. Ces valeurs sont à mettre en regard avec celles relevées pour les métaux et alliages (0,3 pour l’aluminium et 0,4 pour le fer et ses alliages).
Le critère le plus utilisé pour évaluer la durée de vie des matériaux, est celui de la courbe d’endurance S-N (Stress-Number of cycles). Le principe en est simple, il s’agit de reporter les sollicitations appliquées (contraintes, déformations, amplitude des contraintes ou des déformations,…) en fonction du nombre de cycles à la rupture du matériau sollicité. La courbe d’endurance des matériaux métalliques est d’allure hyperbolique avec une concavité prononcée dès que la contrainte maximale du cycle dépasse la limite d’élasticité du matériau.
Lorsque la plasticité est généralisée, la durée de vie en fatigue caractérisée par le nombre de cycles à la rupture Nf de l’échantillon est donnée par les relations de Manson-Coffin et Basquin (figure 2) :
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - COFFIN (L.F.) - A Study of the effects of Cyclic Thermal Stresses on a Ductile Metal - Transaction of the ASME 76, pp. 931-950 (1954).
-
(2) - ROUCHON (M.), LIBERGE (M.) - Endommagement des matériaux composites carbone-époxy - Rapport CEAT, n° 5213 (1986).
-
(3) - REIFSNIDER (K.) - Some fundamental aspects of fatigue and fracture response of composite materials - Proceedings du 14e meeting de la Society of Engineering Science, Lehigh University, p. 373-384 (November 1978).
-
(4) - HIGHSMITH (A.), REIFSNIDER (K.) - Stiffness reduction mechanism in composite laminates - Damage in Composite materials, ASTM STP 775, p. 103-117 (1982).
-
(5) - GARRET (K.), BAILEY (J.) - Multiple transverse fracture in 90° cross-ply laminates of a glass fiber-reinforced polyester - Journal of Materials Science, vol. 12, p. 157-168 (1977).
-
(6) - CHAREWICZ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Les codes commerciaux de calcul par éléments finis (ABAQUS, ANSYS…) ne font pas de calcul à la fatigue mais procèdent à des calculs pour un nombre de cycles donné. Les caractéristiques matériaux correspondent alors aux propriétés résiduelles pour le nombre de cycles concernés. La question reste alors de savoir pour quels cycles il est judicieux de faire ces calculs. La réponse est apportée en travaillant sur des techniques de sauts de cycles mentionnées en [AM 5 410] § 8.2.
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ICFC5, Fifth International Conference on Fatigue of Composites 16-19, octobre 2010 Nanjing, Chine.
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Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)SF2M, Société Française de Métallurgie et de Matériaux. Commission fatigue http://www.sf2m.asso.fr
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