Analyse sur éprouvettes de structures

Rappel de la géométrie des éprouvettes

Une présentation approfondie de la géométrie et de l’injection des éprouvettes de structure est disponible dans le chapitre 3. La figure 5.1 rappelle la géométrie et la position du seuil d’injection des éprouvettes de structure utilisées. 

Données associées au comportement

La façon de présenter les données pour les éprouvettes de structure sera similaire à celle utilisée pour les éprouvettes Dogbone. Chaque éprouvette de structure sera présentée séparément. Les données associées au comportement peuvent être mécaniques ou thermiques. • Données mécaniques Pour le cas des éprouvettes de structure, l’aire de la boucle d’hystérèse (notée h), le module sécant (noté Es) et la déformation résiduelle (notée εr ) seront présentés d’une façon similaire à celle des éprouvettes Dogbone. Il faut remarquer qu’étant donné la complexité de ce type d’éprouvettes, ces données mécaniques seront purement des moyennes. Nous parlerons plutôt de l’aire de la boucle d’hystérèse moyenne locale (hml) et du module sécant local apparent Esl a, car la contrainte est moyennée sur une section hétérogène en terme d’orientation de fibre et la déformation est mesurée de façon moyenne avec l’extensomètre. Nous montrerons aussi la cartographie de déformation obtenue grâce aux mesures de stéréo-corrélation d’images. • Données thermiques L’énergie dissipée par cycle (noté ∆ ∗ ) est la donnée thermique principale étudiée. Celle-ci sera présentée en fonction de l’amplitude d’effort1 Fa (courbe d’auto-échauffement). Pour les éprouvettes de structure, ∆ ∗ sera toujours calculée selon une approche considérant un état transitoire, car le champ d’énergie dissipée par cycle sera toujours hétérogène.

Données associées à la ruine 

Pour le cas des éprouvettes de structure, les courbes de Wöhler en fonction de ∆ ∗ seront aussi présentées en retenant l’analyse locale évoquée pour le cas des éprouvettes Dogbone, c’est-àdire, l’énergie dissipée par cycle, calculée au niveau de la zone de rupture (point chaud). Le choix des régimes dans la courbe présentant l’énergie dissipée par cycle en fonction du chargement et les points utilisés pour l’identification du critère de fatigue seront toujours spécifiés. Finalement, les faciès de rupture seront présentés dans le but d’étudier les différents modes de rupture observés et leur relation avec la zone d’initiation déduite des mesures thermiques (point chaud).

Détermination du champ de couplage thermoélastique

Comme les éprouvettes de structure présentent des états d’orientation complexes mais également des gradients mécaniques engendrés par des accidents géométriques, il est important de proposer des analyses permettant d’étudier ces hétérogénéités. Le champ d’énergie dissipée par cycle obtenu à l’aide de la méthode décrite dans le chapitre 4 est le premier protocole d’analyse permettant de mesurer les hétérogénéités des éprouvettes, celui-ci donne une idée de la dissipation locale. Le deuxième protocole d’analyse est la mesure du champ de déplacement obtenu par stéréo-corrélation d’images (dispositif expérimental présenté dans le chapitre 3). Celui-ci donne accès à la déformation surfacique locale. Pour enrichir la compréhension des hétérogénéités nous proposons également un protocole d’analyse permettant d’estimer le champ de contraintes. Celui-ci est basé sur l’estimation du champ de couplage thermoélastique, lequel est directement proportionnel à la variation de la trace du tenseur des contraintes. La figure 5.2a illustre la variation de température d’un échantillon (moyennée sur sa zone utile par exemple) soumis à un effort sinusoïdal. Comme nous l’avons montré dans le chapitre 2, la composante oscillatoire du signal de température décrit le couplage thermoélastique. Pour mesurer le couplage thermoélastique il faut donc déterminer la température maximale (correspondant à l’effort minimal) et la température minimale (correspondant à l’effort maximal) de chaque cycle de chargement. Cependant, si la fréquence d’acquisition de la caméra infrarouge est moins importante que la fréquence de chargement, il n’est pas possible d’avoir accès au couplage thermoélastique pour chaque cycle de chargement. Par contre, si nous considérons que la fréquence de chargement est plus importante que la fréquence d’acquisition de la caméra et dans le cas où le rapport entre les deux n’est pas un nombre entier, nous pouvons obtenir le couplage thermoélastique sur plusieurs cycles par effet stroboscopique. La figure 5.2b illustre le signal de température mesuré avec une fréquence d’acquisition de 0.7 images par seconde (soit une image toutes les 1.43s) par rapport à une fréquence de chargement de 1Hz. Nous pouvons observer que le couplage thermoélastique peut être déterminé sur environ 9 cycles de chargement. Pour estimer le champ de couplage thermoélastique, il faut donc déterminer les images correspondants à la position d’effort minimal et maximal sur 9 cycles de chargement, tel qu’illustré sur la figure 5.2c. La différence entre les deux images donne accès au champ de couplage thermoélastique. Deux remarques importantes doivent être faites sur cette approche : • les images utilisées pour obtenir le champ de couplage thermoélastique ne sont pas rigoureusement dans la même configuration mécanique, donc il y aura toujours une erreur liée aux positions différentes des points matériels entre les images. Mais, si les déplacements sont suffisamment faibles vis-à-vis des gradients décrits sur la zone d’étude, cette erreur peut être négligée. Les déplacements varient en fonction des éprouvettes et des niveaux de chargement mécanique (pouvant arriver à environ 3mm) ; • la moyenne temporelle cyclique de la température est en général différente de zéro, ceci est illustrée sur la figure 5.2 par le fait que la moyenne temporelle cyclique de la température est croissante. Ceci entraîne une erreur supplémentaire due au fait que les images utilisées pour l’estimation du champ de couplage thermoélastique ont une composante liée à l’augmentation moyenne de la température. Pour limiter cette erreur dans la suite, le champ de couplage thermoélastique sera calculé lorsque la moyenne temporelle cyclique de la température arrive à un état stabilisé (cf. §2.1.3).

Éprouvettes Wavy 1

 La caractéristique principale de ces éprouvettes est une réduction suivie d’une augmentation de l’épaisseur dans leur zone utile. Il y a donc deux zones considérées comme critiques en termes 1

Éprouvettes Wavy 1 de gradients mécaniques : la première est la zone où l’épaisseur finit de diminuer par rapport à l’injection de l’éprouvette, appelée zone convergente (parce que l’écoulement est convergent à cet endroit lors de l’injection) et la deuxième est la zone où l’épaisseur commence à augmenter par rapport à l’injection de l’éprouvette, appelée zone divergente (parce que l’écoulement est divergent à cet endroit lors de l’injection). La localisation de ces zones est illustrée sur la figure 5.3.Au niveau de la zone divergente, nous constatons un défaut surfacique de « givrage » visible comme une ligne blanche dans la largeur de l’éprouvette (visible sur les deux faces de l’éprouvette), telle que montrée dans la figure 5.4. Ce défaut apparaît systématiquement sur toutes les éprouvettes Wavy 1 utilisées au cours de la thèse. Pour étudier l’épaisseur affecté par ce défaut, des mesures MEB ont été réalisées au niveau de cette ligne blanche. La figure 5.5 montre, sur le côté gauche, les fibres au niveau de l’épaisseur (2.5mm) et, sur le côté droit, un zoom sur les premiers 300µm d’épaisseur. Nous pouvons observer que les micro-craquelures (givrage) apparaissent sur environ 100µm de profondeur à partir du bord de l’éprouvette. Si nous prenons en compte les deux côtés de l’éprouvette, le défaut apparait sur 200µm au niveau de l’épaisseur (100µm de chaque côté de l’éprouvette), ce qui représente 8% de l’épaisseur totale de l’éprouvette. Ce défaut non prévu lors de la conception, nous donne l’opportunité d’étudier l’influence des défauts de surface sur la fatigue de ces matériaux.