Développement d’un essai Arcan dynamique

Caractérisation mécanique des assemblages collés

 Les assemblages collés peuvent être sollicités mécaniquement de plusieurs façons. Kinloch identifie dans [Kinloch, 1987] quatre modes de chargement principaux présentés sur la figure 1.7. Une sollicitation normale de l’assemblage est obtenue lorsque la direction de chargement est normale à la surface de recouvrement (cf. figure 1.7a). Une sollicitation de cisaillement de l’assemblage est obtenue lorsque la direction de chargement est tangentielle à la surface de recouvrement (cf. figure 1.7b). Une sollicitation de clivage se produit lorsque la direction de chargement est excentrée de la zone collée ou lorsque les substrats fléchissent sous l’action d’un moment (cf. figure 1.7c). La sollicitation de pelage est relativement similaire au clivage et apparaît lorsque l’un ou les deux substrats sont de faible épaisseur i.e., plus souples. Adhérent 1 Adhérent 2 Adhésif Adhérent 1 Adhérent 2 Adhésif Cisaillement Clivage Pelage Adhérent 1 (mince) Adhérent 2 (épais) Adhésif Adhérent 1 Adhérent 2 Adhésif Traction/Compression (a) (b) (c) (d) Figure 1.7 – Modes de chargement des assemblages collés, d’après [Kinloch, 1987 ; Loctite, 1995]. (a) Sollicitation normale (traction ou compression). (b) Sollicitation de cisaillement. (c) Sollicitation de clivage. (d) Sollicitation de pelage. Les règles de dimensionnement préconisent de concevoir des structures collées qui favorisent les sollicitations de cisaillement pur du joint de colle [da Silva et al., 2011]. Dans les faits, il existe de nombreuses applications où cela n’est pas possible. Par conséquent, l’étude du comportement mécanique des adhésifs ne doit pas se limiter à une courbe de réponse mécanique issue d’un cas de sollicitation mais plutôt porter sur l’enveloppe complète de réponse. Les principaux essais mécaniques permettant de caractériser le comportement des adhésifs sont étudiés dans cette partie du manuscrit. Celle-ci est scindée en deux sous-parties : la première permet d’avoir une vue d’ensemble des approches et éprouvettes développées pour la caractérisation quasi-statique des adhésifs ; la deuxième est dédiée à l’étude des essais et moyens d’essais développés pour la caractérisation des assemblages collés en dynamique. Les essais caractérisant l’initiation et la propagation de fissures liés à des approches de la mécanique de la rupture ne sont pas exposés. La liste présentée est non exhaustive mais constitue un échantillon représentatif des méthodes utilisées dans l’industrie

Les essais quasi-statiques

 De nombreux essais sont disponibles afin de caractériser le comportement mécanique d’un adhésif sous sollicitations quasi-statiques. Ils sont généralement classés en trois catégories : — Les essais massiques consistent à solliciter l’adhésif seul sous sa forme massique i.e., en dehors d’un assemblage. — Les essais sur assemblages collés ou in situ permettent de caractériser l’adhésif dans sa configuration d’utilisation. — Les essais liés à des approches de la mécanique de la rupture permettent de caractériser l’endommagement ainsi que la rupture du joint. Les essais massiques L’une des méthodes les plus courantes et les plus « simples » permettant de caractériser le comportement mécanique d’un adhésif consiste à solliciter ce dernier sous sa forme massique. Pour chaque mode de chargement, il existe au moins un essai massique comme le montre la figure 1.8. En traction, la géométrie de l’éprouvette utilisée est de type « altère » telle qu’elle est définie dans la norme ISO 527-2 [ISO 527-2, 2012] et représentée sur la figure 1.8a. Le choix des dimensions dérive du moyen d’essais et de l’instrumentation (essentiellement de la méthode du suivi des déplacements) utilisés. Ainsi, des éprouvettes longues sont généralement employées pour des adhésifs rigides (e.g. colles époxydes) et des courtes pour des adhésifs souples (e.g. colles polyuréthanes) [da Silva et al., 2012b]. Ce type d’essai est réalisé avec une machine de traction. Il permet d’extraire des courbes en contrainte-déformation et ainsi de déterminer différents paramètres matériaux tels que le module d’Young, la limite élastique, etc. En compression, deux catégories d’essais peuvent être distinguées : les essais de compression uniaxiale et les essais de compression hydrostatique. Les éprouvettes utilisées pour la compression uniaxiale sont de forme cylindrique pour les adhésifs souples telles que décrites dans les normes ISO 7743 [ISO 7743, 2011] et ASTM D575 [ASTM D575, 2012] et de forme cylindrique ou prismatique pour les adhésifs rigides telles que définies dans les normes ISO 604 [ISO 604, 2004] et ASTM D695 [ASTM D695, 2015] (cf. figure 1.8b). Les essais de compression uniaxiale sont réalisés avec une machine de traction ou une presse asservie. Comme le montre la figure 1.8b, un dispositif de maintien peut être installé sous la traverse afin d’éviter le flambement de l’éprouvette lorsqu’elle est fine. Ces essais permettent d’extraire des courbes en contrainte-déformation. Les essais de compression hydostatique sont réalisés sur des éprouvettes de forme cylindrique ou cubique. L’essai nécessite l’utilisation d’une chambre de compression et permet d’extraire le module d’élasticité isostatique de l’adhésif étudié.

Les essais sur assemblages collés ou in situ 

Les structures collées sont généralement conçues afin de favoriser les sollicitations de cisaillement pur du joint de colle. Cette configuration permet d’obtenir une meilleure tenue mécanique de l’assemblage. De ce fait, la majorité des essais sur assemblages collés a été développée pour caractériser l’adhésif en cisaillement. Les essais de type simple recouvrement sur substrats minces ont été parmi les premiers développés. Ils sont encore aujourd’hui très utilisés, notamment dans l’industrie du transport. Les raisons principales sont liées à la simplicité de mise en œuvre, la similarité, en terme de géométrie, avec les structures rencontrées dans l’industrie et les faibles coûts de production. – 16 – Thèse de doctorat – B. Valès 1.2 Caractérisation mécanique des assemblages collés La géométrie de l’éprouvette est décrite dans les normes ASTM D1002 [ASTM D1002, 2010] et ISO 4587 [ISO 4587, 2003]. Comme le montre la figure 1.9a, l’éprouvette est composée de deux tôles fines de 1, 6 mm d’épaisseur entre lesquelles est disposé l’adhésif d’intérêt. Les dimensions affichées sont celles recommandées par la norme. L’épaisseur de l’adhésif et des substrats ainsi que la longueur de recouvrement peuvent varier. Pour une étude comparative, il est nécessaire de garder ces paramètres constants car ils influent fortement sur la résistance en cisaillement de l’éprouvette. La direction de chargement est longitudinale aux substrats ce qui permet de solliciter l’adhésif en « cisaillement ».

Les essais dynamiques 

Avec l’augmentation de la vitesse de déformation, la réponse mécanique des adhésifs évolue généralement de ductile à fragile. Ce changement entraine communément une augmentation des niveaux de charge à rupture mais également une diminution des énergies absorbées [Goglio, 2011]. C’est la raison pour laquelle les premiers essais dynamiques réalisés sur les adhésifs visent essentiellement à mesurer l’énergie nécessaire pour rompre une éprouvette massique ou collée. Ces résultats n’étant pas suffisants pour caractériser le comportement mécanique, de nombreux autres essais ont été développés depuis. Ceux-ci utilisent généralement les mêmes éprouvettes que pour des sollicitations quasi-statiques mais diffèrent principalement sur le moyen expérimental de sollicitation utilisé : servo-vérins hydrauliques, machines pendulaires, tours de chute, machines hybrides spécifiques, etc. À chaque dispositif correspond une plage d’utilisation en terme de vitesse de sollicitation.Les moyens expérimentaux en dynamique rapide sont communément comparés sur les vitesses de déformation qu’ils permettent de générer. Le tableau 1.2 dresse un comparatif des principaux dispositifs de sollicitation existants en dynamique. Ils sont classés en fonction des phénomènes étudiés et des vitesses de déformation qui leur sont associées. Ce tableau a été établi sur la base d’articles bibliographiques portant sur le sujet [Hamouda et Hashmi, 1998 ; Field et al., 2004 ; Sato, 2011] et montre qu’aucun moyen d’essais ne permet de couvrir toute la gamme de vitesses. Dans la suite du document, seuls les dispositifs de sollicitation permettant d’obtenir des vitesses de déformation comprises entre 101 s −1 et 103 s −1 , associés aux phénomènes observés dans le domaine du transport, sont présentés. Il s’agit en particulier des machines pendulaires, des servo-vérins hydrauliques, des dispositifs à barres d’Hopkinson et des tours de chute.