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RÉSUMÉ
De plus en plus, l’ingénieur est à la recherche de critères et de modèles de prévision du comportement à long terme des composites à matrice organique (CMO). Pour cela, il faut collecter des informations sur les constituants du matériau, déterminer les sollicitations de tous genres (thermique, mécanique, hydrique…) auxquelles le composite est soumis et disposer de données de vieillissements accélérés fiables. Cet article présente également les évolutions des propriétés susceptibles d’être rencontrées en service.
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Bruno MORTAIGNE : Docteur en matériaux de l’École Nationale Supérieure d’Arts et Métiers (ENSAM) - Spécialiste « Matériaux » - Délégation Générale pour l’Armement (DGA)
INTRODUCTION
Les composites à matrice organique (CMO) monolithiques ou sandwiches sont désormais incontournables pour l’ingénieur, et l’établissement de critères et de modèles permettant de prévoir leur comportement au vieillissement est un enjeu important. Cela nécessite non seulement de caractériser l’évolution des propriétés, mais également de comprendre les phénomènes de dégradation qui sont intervenus (physico-chimique, physique, mécanique). Dans le dossier « Vieillissement des composites. Mécanismes et méthodologie d’étude », la méthodologie d’étude à adopter pour prévoir leur comportement à long terme ainsi que les phénomènes responsables de la dégradation des propriétés ont été détaillés dans leur globalité.
La définition d’un modèle de prévision du comportement nécessite d’acquérir le maximum d’informations sur les constituants et sur la structure du matériau, d’identifier le plus exactement possible les sollicitations (thermique, hydrique, mécanique...) auxquelles le composite est soumis en condition opérationnelle, et d’utiliser des moyens de contrôle (optique, contrôles non destructifs : CND) permettant de suivre la formation et la propagation des endommagements. Il nécessite d’avoir recours à des vieillissements accélérés réalistes pour lesquels il est nécessaire de s’assurer de leur représentativité. La plus grande difficulté rencontrée pour ces essais est la définition des cycles de sollicitations représentatifs des agressions subies en service.
Ce dossier tente, à travers divers exemples de CMO structuraux, de mettre en application la méthodologie définie précédemment. Il décrit les différents moyens d’analyse du comportement à mettre en œuvre et indique au lecteur les évolutions des propriétés susceptibles d’être rencontrées en service de manière à ce qu’il puisse les intégrer dans la prévision du comportement à long terme.
Plusieurs « modèles » dépendant du CMO et de ses conditions d’utilisation, basés sur l’évolution de la propriété limitative à l’utilisation et résultant soit d’une analyse physico-chimique, soit d’un suivi des propriétés mécaniques sont présentés. La température et l’humidité étant les deux facteurs majeurs influençant les caractéristiques initiales des matériaux et de vieillissement, la prévision de leur comportement en fonction de ces paramètres est regardée de manière systématique. Du point de vue mécanique, la résistance aux impacts et la compréhension des mécanismes de propagation de fissures sont systématiquement investiguées pour pouvoir certifier le comportement en cours d’utilisation. Une modélisation mécanique par éléments finis prenant en compte des singularités de structure, de contrainte et d’endommagement ainsi qu’une approche multiéchelle de prévision du comportement sont également présentées. Ces modèles ne permettent toutefois pas de s’affranchir du retour d’expérience du comportement en environnement d’utilisation qui est le seul à pouvoir les valider.
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1. Comportement à long terme
La prévision du comportement est très complexe du fait de la multitude des matériaux qui existent, de leur combinaison et des conditions de mise en œuvre qui contrôlent leur qualité initiale et leur évolution en service (voir article ). Ce n’est que par la connaissance et l’identification précise des défauts présents après mise en œuvre ou générés au cours du vieillissement, ainsi que sur leurs modes de propagation, qu’il est possible de bâtir des modèles de prévision robustes.
Le vieillissement d’un matériau, composite ou non, est une combinaison d’une multitude de processus, en interaction ou indépendant, intervenant dans le même temps ou de manière séquentielle. L’évolution d’un COM est très souvent décrite comme un ensemble d’actes élémentaires régis par un seul mécanisme. La connaissance des interactions entre tous ces paramètres est un point clé pour la précision des modèles de prévision du comportement (voir article ).
1.1 Méthode de caractérisation
Une structure CMO est soumise à une multitude d’agressions spécifiques de son utilisation, tant environnementales (température, humidité, érosion, flamme...) que mécaniques (fatigue, impact).
Une méthodologie d’étude complète et rigoureuse doit être adoptée pour identifier les plus critiques et mettre en place la procédure d’essais adéquate (voir article ).
Les essais sont menés en ayant recours à des concepts de vieillissement accélérés (environnement, mécanique), dans des conditions plus sévères que celles rencontrées en utilisation mais ne modifiant pas les mécanismes d’endommagement,...
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