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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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Évolutions du comportement mécanique à long terme
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5. Propriétés mécaniques. Évolutions au cours du vieillissement
Pour des CMO structuraux, ce sont les propriétés mécaniques qui conditionnent le dimensionnement et l’évolution de ces propriétés est prise en compte dans les facteurs de sécurité (certification en utilisation).
Toutefois industriellement, lors de l’optimisation de la résistance des structures, on ne cherchera pas à minimiser les valeurs des critères de rupture, mais on s’évertuera à minimiser la répartition de la masse du CMO à une valeur de critère donné. Pour des raisons de coût de production, on recherchera une épaisseur de pièce la plus constante possible, avec une symétrie des empilements des plis, et une continuité dans leurs orientations.
Au cours du vieillissement, les matériaux vont subir des phénomènes d’endommagement qui, outre les chocs accidentels, conduiront à des délaminages (point faible des CMO), et correspondront à du fluage et de la fatigue. Ces facteurs de vieillissement se superposent aux effets induits par la température et l’humidité et fixent les limites d’utilisation d’un matériel.
Le comportement mécanique d’un CMO est abordé par des approches numérique, analytique et expérimentale des champs de contraintes. Dans l’analyse de la durabilité des CMO de type industriels (quasi isotrope ou orienté), le critère de ruine final est généralement lié à la rupture des plis dans le sens 0o par rapport à l’axe de sollicitation. La rupture des plis à 0o est influencée par le chargement thermomécanique (cyclage thermique, dégradation des autres plis) et l’épaisseur relative des plis influe directement sur leur cinétique d’endommagement.
L’analyse des endommagements permet une modélisation du comportement basée en première approche sur la théorie des stratifiés. Pour comprendre le comportement des matériaux solides tant du point de vue de la viscosité, de la plasticité ou encore de l’endommagement ou de la fissuration, et aborder de manière générale les modèles mécaniques susceptibles d’être utilisés lors de l’étude des matériaux polymères et composites, le lecteur peut se reporter aux ouvrages généraux traitant de la mécanique des matériaux ...
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