Analyse sur éprouvettes simples à microstructures maîtrisées

Analyse sur éprouvettes simples à micro structures maîtrisées

Mise en place des protocoles d’analyse

 Philosophie Comme nous l’avons déjà évoqué, ces éprouvettes sont conçues dans le but de travailler sur des cas d’orientation moyenne des fibres maîtrisée et pour diverses conditions thermohygrométriques et de chargement mécanique. Les angles de prélèvement considérés ont été choisis de façon à ce que l’effet de l’orientation puisse être étudié pour le cas d’un alignement moyen longitudinal (éprouvettes prélevées à 0°), le cas d’un alignement moyen transversal (éprouvettes prélevées à 90°) et un cas entre les deux (éprouvettes prélevées à 45°). Ces éprouvettes permettront de caractériser l’influence des différents facteurs (orientation, environnement et chargement) sur les propriétés en fatigue.

Données mécaniques

Les données mécaniques mesurées lors des essais sur les éprouvettes Dogbone sont l’effort axial et le déplacement des couteaux de l’extensomètre. A partir de celles-ci, nous pouvons obtenir la contrainte nominale (définie comme l’effort axial divisé par la section traverse minimale initiale de l’éprouvette) et la déformation nominale (définie comme le déplacement relatif des couteaux de l’extensomètre divisé par la distance entre les couteaux au début de l’essai). La figure 4.1 montre des exemples de courbes contrainte nominale-déformation nominale pour chaque angle de prélèvement considéré pour des paliers de chargement de 20 cycles sinusoïdaux pendant un essai d’auto-échauffement. Ces graphiques illustrent la qualité de l’asservissement de la machine d’essais, la boucle d’hystérèse et le déplacement de la boucle (appelé déformation résiduelle). Notons que la valeur initiale de déformation nominale est différente de zero, cela est dû au fait que l’éprouvette présente une histoire de chargement. En effet, pendant les essais d’auto-échauffement, celle-ci est soumise à plusieurs paliers de chargement (cf. §3.5.1). La façon d’exploiter ces données mécaniques sera montrée par la suite. 

Obtention de la courbe d’auto-échauffement 

Dans cette partie le protocole expérimental pour obtenir les courbes d’auto-échauffement sera détaillé. Celles-ci sont obtenues par une analyse sur l’état transitoire avec une approche 0D (cf. §2.1.4). L’analyse sur l’état stationnaire avec une approche 0D (cf. §2.1.3) est aussi utilisée pour faire des comparaisons entre les deux analyses. L’objectif ici est d’obtenir l’énergie dissipée par cycle pour des éprouvettes soumises à des chargements cycliques à partir des mesures thermiques, tel que présenté dans le chapitre 2. Protocole expérimental Dans cette partie, le protocole expérimental pour réaliser une analyse sur un état transitoire (cf. §2.1.4) est détaillé. Les éprouvettes sont soumises à des chargements cycliques avec un rapport de charge et une fréquence inchangés. La température est mesurée sur la zone utile de l’éprouvette avec une fréquence de 20 images par seconde. Un certain nombre de paliers de chargement (composés de 20 cycles suivis de 5 minutes de refroidissement pour retourner à l’équilibre thermique) sont réalisés pour plusieurs niveaux d’amplitude de contrainte nominale1 , comme l’illustre la figure 4.2a. Le dernier palier de chargement est mené jusqu’à la rupture de l’éprouvette. Évolution de l’aire de la boucle d’hystérèse pour chaque palier de chargement et évaluation de la vitesse initiale de variation de température Sur la figure 4.2b l’évolution de l’aire de la boucle d’hystérèse pour plusieurs paliers de chargement en fonction de l’amplitude de contrainte nominale est montrée. L’exemple présenté a été obtenu avec des éprouvettes Dogbone prélevées à 90° (appelées Dogbone 90°), conditionnées à RH50, testées avec une fréquence de chargement de 1Hz et un rapport de charge R=0 à température ambiante. Nous pouvons proposer deux régimes de comportement pour analyser ces courbes : le premier régime (état transitoire, jusqu’au quatrième cycle) montre une aire de la boucle d’hystérèse qui évolue et le deuxième régime (état stabilisé, dès le quatrième et jusqu’au vingtième cycle) montre une aire de boucle d’hystérèse quasi-constante. Ces comportements sont observés pour les trois cas d’éprouvettes considérés (0°,45° et 90°). L’approche présentée dans cette étude pour calculer l’énergie dissipée par cycle n’est valable que si celle-ci est constante par cycle. Donc l’évaluation de l’énergie dissipée par cycle est réalisée uniquement à partir du quatrième cycle, sur le comportement stabilisé2 . La valeur de la vitesse initiale de variation de température (θ˙ 0), peut alors être calculée grâce à la pente de la variation de température (droite dans la figure 4.2c) entre les cycles 4 et 10. Finalement, l’énergie dissipée par cycle peut être calculée en réécrivant l’équation 2.38 comme suit : ∆ ∗ = ρCθ˙ 0 f . 

Définition de la zone d’analyse et comparaisons entre les zones

Le passage entre les mesures thermiques et l’énergie dissipée par cycle peut être réalisé de plusieurs façons. La première, présentée précédemment dans l’exemple de la figure 4.2c, est une analyse globale. Elle consiste à faire les calculs à l’aide de l’évolution de la température moyennée sur une zone donnée : l’énergie dissipée par cycle est calculée grâce à l’évolution de la température moyennée dans la zone utile de l’éprouvette. Cette analyse est particulièrement importante pour faire des comparaisons avec les données mécaniques, lesquelles sont évaluées de façon moyenne grâce à l’extensomètre. La seconde possibilité consiste en une analyse locale. Elle promeut l’idée de travailler, toujours avec la température moyennée, mais sur une zone beaucoup plus petite qui correspond à la zone d’initiation observée à posteriori. Durant le dernier palier de chargement (mené jusqu’à la rupture), un point chaud (zone de taille très réduite et ayant une température plus importante que son voisinage) est observé, comme l’illustre la figure 4.3. Cette zone est identifiée comme étant la zone d’initiation qui précède la propagation brutale de la fissure conduisant à la rupture de l’éprouvette (c’est-à-dire la zone de « nucléation » de la fissure). Le calcul de l’énergie dissipée par cycle à partir de l’évolution de la température moyennée sur le point chaud est ainsi également réalisé. Cette analyse est particulièrement importante pour associer l’énergie dissipée par cycle menant à rupture avec la localisation précise de l’initiation. La figure 4.4 montre la comparaison entre l’analyse locale et l’analyse globale pour une éprouvette Dogbone 0° RH50, testée avec une fréquence de 1Hz et un rapport de charge R=0. Nous pouvons voir que l’énergie dissipée par cycle est plus importante dans le cas de l’analyse locale.

Détection du point chaud

La figure 4.5 illustre la détection du point chaud à l’aide d’un profil de température suivant la largeur de la zone utile d’une éprouvette Dogbone 45° (image prise quelques cycles avant la propagation brutale de la fissure). Nous pouvons observer que le profil de température évolue localement au niveau du point chaud. Pour déterminer sa taille, il faut détecter les pixels où la température évolue par rapport à la tendance du profil de température.

Comparaison des analyses transitoire et stabilisée

Dans le but de vérifier si les analyses réalisées sur un état transitoire sont équivalentes à celles réalisées sur un état stationnaire, quelques paliers de chargement ont été utilisés pour comparer les deux analyses. Pour réaliser une analyse sur un état stationnaire il faut considérer suffisamment de cycles de chargement pour atteindre la stabilisation thermique. Puis, il faut évaluer le temps caractéristique thermique sur la courbe de température jusqu’au retour à l’équilibre thermique (refroidissement). La fréquence d’acquisition de la caméra est de 0.7 images par seconde (soit 1 image toutes les 1.43 secondes environ). La fréquence d’acquisition considérée est choisie de façon à ce que la quantité de données ne soit pas excessivement élevée et que par ailleurs les informations relatives au couplage thermo-élastique (cf. §2.1.3) ne soient pas perdues. Celui-ci est obtenu par effet stroboscopique étant donné que la fréquence de chargement est toujours un nombre entier.