Analyse des mécanismes élémentaires de coupe des agrocomposites par approche tribo- mécanique multiéchelle

Afin de relier le comportement spécifique des fibres végétales, démontré dans le Chapitre 3, aux mécanismes élémentaires de coupe lors de l’usinage d’un agrocomposite, des essais mécaniques de traction et de cisaillement ont été réalisés sur une structure agrocomposite en fibres de lin unidirectionnelles et matrice polypropylène couramment utilisée en industrie. L’objectif est d’évaluer le comportement mécanique lors des sollicitations qui peuvent s’apparenter à celles du contact de coupe outil/matière. Ensuite, le procédé 2D de coupe orthogonale a été réalisé sur le même matériau pour déterminer la nature de formation de copeau à différentes conditions de coupe. L’état des surfaces ainsi générées par ces opérations a été étudié par microscopie électronique à balayage et par mesure de la topographie des surfaces usinées. La seconde partie de ce chapitre a été consacrée à une étude fine des comportements mécanique et tribologique des agrocomposites sur les échelles pertinentes du renfort fibreux. Ce travail est réalisé en sollicitant le matériau par nanoindentation et scratch test à différentes échelles afin de déterminer, suivant l’échelle de contact outil/matière, la réponse tribo-mécanique du matériau et ainsi l’origine des mécanismes de coupe des agrocomposites. Afin de caractériser mécaniquement le matériau avant les opérations de coupe orthogonale, des essais de traction et de cisaillement ont été réalisés sur des éprouvettes du même matériau afin de caractériser l’interdépendance qui peut exister entre les performances mécaniques du matériau et son comportement lors de la coupe. Le protocole expérimental pour ces essais a été décrit dans le Chapitre 2. Les essais de traction et de cisaillement Iosipescu sont réalisés avec différentes vitesses de déformation.

La Figure 4.1 représente les comportements typiques en traction pure et en cisaillement des éprouvettes agrocomposites à fibres de lin unidirectionnelles pour trois différentes vitesses de déformation. Le comportement en traction révèle 2 parties linéaires (Figure 4.1(a)). La première partie correspond à la contribution du renforcement fibreux ainsi que la liaison matricielle de la résine polypropylène. En atteignant une valeur de contrainte de 30 MPa (i.e. la contrainte max de la matrice PP), le comportement reste linéaire mais la pente de rigidité est réduite sur la seconde partie linéaire. Ceci est dû à la rupture de la liaison matricielle en atteignant sa contrainte maximale. Le comportement devient non linéaire vers une valeur de contrainte de 100 MPa. On obtient un comportement non linéaire plastique jusqu’à la rupture montrée en Figure 4.2(a). Ainsi, les agrocomposites thermoplastiques à fibres de lin unidirectionnelles ont un comportement linéaire en traction avec une rupture ductile achevée sur une zone plastique. L’effet de la vitesse de déplacement est apparent uniquement sur la zone plastique en augmentant l’allongement à rupture.

Les courbes de cisaillement Iosipescu des agrocomposites thermoplastiques en lin unidirectionnelles présentent un comportement élastoplastique (Figure 4.1(b)). L’augmentation de la vitesse de déplacement augmente le module de cisaillement mais n’influence pas le comportement ductile du matériau. Il est important de mentionner qu’on n’arrivait pas à atteindre la rupture en cisaillement avec le dispositif Iosipescu. En effet, au cours du chargement, les fibres de lin suivent le mouvement de cisaillement et se déforment transversalement à cause de leur forte flexibilité transversale comme déjà expliqué dans le Chapitre 3. Cette déformation transversale des fibres causera des zones de délaminage entre les fibres et la matrice qu’on peut observer sur la zone de cisaillement (Figure 4.2(b)). Les fibres continuent à se déformer transversalement jusqu’à être sollicitées partiellement en traction. La rupture n’a pas eu lieu parce Les essais de coupe orthogonale ont été conduits sur l’étau-limeur avec les plaquettes de coupe présentées dans le Chapitre 2. La Figure 4.3 montre le montage expérimental des essais. Un dynamomètre Kistler a été installé entre le système de bridage et la table de la machine afin de mesurer les efforts de coupe. Une caméra rapide (FASTCAM SA5 CCD) a été utilisée afin d’observer la formation du copeau avec une vitesse d’acquissions de 20000 images par seconde. Le Tableau 4-1 récapitule les conditions des essais.