Evolution microstructurale en cours de fatigue

Afin de comprendre les mécanismes de fatigue dans les fibres, trois techniques permettant de réaliser un suivi de l’évolution des paramètres microstructuraux sous sollicitation mécanique sont mises en œuvre. Les analyses de calorimétrie et de diffraction de rayons-X aux grands angles se sont notamment focalisées sur la fibre PA66-A, tandis que la spectroscopie Raman a permis une étude comparative entre les deux fibres de polyamide PA66-A et PA66-B sollicitées en fatigue et en traction. Les techniques de calorimétrie et de diffraction de rayons-X seront appliquées pour analyser globalement les mèches de fibres PA66-A sollicitées en fatigue. La micro-spectroscopie Raman sera utilisée pour analyser des monofilaments de fibres PA66-A et PA66-B rompus en fatigue, ainsi que pour suivre, à l’échelle de la chaîne carbonée, l’évolution des domaines cristallin et amorphe. Cette technique sera également utilisée pour étudier des monofilaments sous tension, à l’aide de la micro-extensométrie Raman.  5.1 Calorimétrie différentielle à balayage. Plusieurs mèches de fibres PA66-A ont été sollicitées cycliquement dans des conditions provoquant la fatigue (0-75% sR). Des essais de DSC et MDSC ont été menés avec la procédure préconisée pour les fibres à l’état brut de fabrication et dans les mêmes conditions climatiques. 5.1.1 Evolution de la température et enthalpie de fusion. Evolution du taux de cristallinité. La figure 5.1 présente la superposition des thermogrammes des fibres PA66-A à l’état brut et sollicitées cycliquement. La morphologie du pic de fusion des fibres sollicitées est similaire à celle des fibres brutes, avec un léger “épaulement” à gauche. Pour les fibres sollicitées, le pic exothermique, très léger, se localise à environ 261°C et le pic de fusion à 264.8 (±0.9)°C, alors que pour les fibres brutes, ces mêmes pics se localisent respectivement à 255°C et 260.1 (±0.7)°C. La différence entre les deux températures de fusion laisse à supposer que la sollic itation en fatigue induit des modifications sur la taille de cristallites et la perfection cristalline. La diffraction de rayons-X permettra de mettre en lumière ces évolutions.

L’évolution de ces paramètres a pu être précédemment observée lors de travaux sur les effets du taux d’étirage : Todoki et Kawagushi [TOD77] ont ainsi montré que la température de fusion de fibres de PA6 augmente avec un taux d’étirage croissant ou lorsque les fibres sont testées sous tension. Sumita et al. [SUM77] ont également observé une augmentation de la température et de l’enthalpie de fusion sur des fibres de Polyéthylène haute densité (HDPE) en fonction du taux d’étirage. Cette double hausse est attribuée à une augmentation de l’orientation au niveau de la phase amorphe. Sumita et al. ont proposé l’explication suivante quant à l’augmentation de la température de fusion : l’excès d’énergie libre, résultant de l’orientation au niveau des phases amorphes, élève la valeur de Tf car ces phases orientées, qui retournent en configuration isotrope lors de la fusion, absorbent de la chaleur. Ces résultats ont donc permis à Sumita et al. de démontrer que dans des matériaux possédant une phase amorphe orientée, les deux phases cristallines et amorphes contribuent à la valeur de la température de fusion Tf. Ponnouradjou [PON98] a aussi mis en évidence des variations de la températures de fusion et du taux de cristallinité après un choc. Le fait que ces résultats soient observées sur des fibres de PE haute densité mais également sur de fibres de PET au de PA66 [TUR97] contribue à légitimer l’hypothèse d’un mécanisme unique à la base de ces variations : la texturation des phases amorphes.

Aucune variation significative de la température de transition vitreuse n’a été enregistrée pour les fibres sollicitées en fatigue. Cette stabilité des températures de transition vitreuse doit cependant être considérée avec précaution compte tenu de certaines limites inhérentes à la technique. Ce phénomène a en effet été largement étudié par Khanna et al. [KHA95, KHA97] : ils ont montré que dans la durée de préparation des échantillons, l’absorption d’eau peut engendrer une baisse sensible de la Tg des polyamides 6 et 66. Ce problème est crucial compte tenu des questions qu’il soulève quant au caractère intrinsèque de cette valeur de température de transition vitreuse. La valeur de la Tg obtenue en DSC dépend, en fait, complètement des conditions de stockage et de manipulation. Des comparaisons des Tg déterminées sur des échantillons différents n’ont fondamentalement de sens que si tous les paramètres sont parfaitement connus, contrôlés et reproductibles d’un essai à un autre. Cette dépendance de la Tg avec les conditions d’essais, limite la portée des résultats obtenus. Ces derniers risquent, en effet, de refléter uniquement les effets des conditions de stockage et de préparation en masquant l’effet des modifications de propriétés du matériau que l’on cherche à mettre en évidence.