Matériaux composites, endommagement et fatigue quelques repères bibliographiques

Un matériau composite peut être défini comme un assemblage de plusieurs ma- tériaux de natures différentes. Il est généralement constitué d’une matrice dans la- quelle sont insérés des renforts. La matrice assure le maintien de l’assemblage et les transferts de charge entre les renforts qui assurent la tenue mécanique du composite grâce à leurs caractéristiques mécaniques élevées (module et limite d’élasticité, résis- tance mécanique,…)[Gay, 1991]. L’association de ces différents matériaux a pour but d’obtenir un matériau dont les propriétés mécaniques spécifiques CLASSIFICATION – La nature du matériau constituant la matrice permet de clas- ser les matériaux composites en trois catégories : les composites à matrice organique, les composites à matrice métallique et les composites à matrice minérale (céramique) [Berthelot, 1999]. Dans cette étude on s’intéressera uniquement aux composites à matrice organique.Nous utilisons dans notre étude un matériau à matrice époxyde. L’époxy est une résine thermodurcissable qui présente un bon accrochage sur les fibres, un faible retrait lors du moulage (de l’ordre de 0.5%) et de bonnes propriétés mécaniques [Barrau and Laroze, 1987]. On présente dans le tableau 2.1 quelques caractéristiques générales de la résine époxy.LES RENFORTS – Les renforts ont pour rôle d’assurer la tenue mécanique du com- posite. Ils sont souvent de nature filamentaire. Ils peuvent être discontinus (fibres courtes) ou continus (fibres longues). Les fibres longues se présentent sous forme de mat (nappe de fibres disposées dans un plan sans direction préférentielle), de nappe unidirectionnelle (nappe de fibres alignées dans la même direction) ou encore sous la forme d’une nappe tissée (deux ou trois directions de tissage).

Dans cette étude nous utilisons des fibres de carbone. Les fibres de carbone sont produites par pyrolyse contrôlée sous contraintes mécanique de fibres organiques qui sont le plus souvent des fibres de polyacrylonitrile (PAN). Elle sont constituées en grande partie de graphite qui est la forme cristalline stable et peu dense du carbone. Les fibres de carbone tirent leur anisotropie et leur propriétés mécaniques élevées de la structure cristalline du graphite qui dans le sens parallèle aux plans hexagonaux graphitiques présente des propriétés mécaniques comparables à celles du diamant [Mercier et al., 1999].Afin de préciser l’orientation de chacun des plis qui forment le stratifié, on a pour habitude de définir en premier lieu un repère orthonormé de référence associé au stratifié. On le note R(O; x; y; z). Le vecteur x définit la direction à partir de laquelle on compte les angles des différents plis. Dans le cas d’une éprouvette droite, soumise à un chargement uni-axial, on choisit généralement l’axe défini par la direction de chargement. Le vecteur z définit la direction perpendiculaire au plan du stratifié (FIG. 2.2).classiques des renforts au sein d’un composite à fibres longues confèrent aux maté- riaux trois axes de symétries orthogonaux. Le comportement du milieu homogène équivalent peut alors être considéré comme orthotrope, ce qui permet de réduire le nombre de coefficients indépendants à 9 (EQ. 2.1) :

Le pli de base utilisé dans cette étude est un composite unidirectionnel. Ce type de matériau est généralement considéré comme isotrope transverse. En d’autres termes, on considère qu’il a un comportement isotrope dans le plan (e La ruine des matériaux composites n’est pas initiée par un unique mécanisme d’endommagement, mais elle est la conséquence de l’accumulation de plusieurs modes de dégradations. En effet, par endommagement on entend le développement plus ou moins progressif de micro-défauts (micro-vides, micro-fissures…) qui conduisent par coalescence à des macro-défauts (fissures, dé-cohésions…) menant ainsi à la ruine de la structure. Les mécanismes d’endommagement dans les composites stratifiés à fibres longues sont aujourd’hui clairement identifiés. Différents facteurs peuvent influencer l’appa- rition et le développement de ces dégradations : la séquence d’empilement, la nature de la matrice, le procédé de fabrication… Ainsi, soumis à des sollicitations externes, les matériaux composites sont le siège de dégradations au niveau des fibres (ruptures de fibres), de la matrice (micro-vides, fissures intra-laminaires) ou encore au niveau des interfaces fibre/matrice (dé-cohésions fibre/matrice) ou des interfaces inter-plis (délaminage). La figure 2.3 présente de façon schématique les différents mécanismes d’endommagement. Dans ce qui suit nous proposons de détailler les caractéristiques des différents mécanismes.Afin de fixer un cadre, précisons dès maintenant que les caractéristiques présen- tées dans la suite ont été dégagées d’observations effectuées lors d’essais sur des éprouvettes planes sollicitées en traction uni-axiale. Cela a pour principale consé- quence d’entraîner un état de contrainte uniforme dans la zone utile de l’éprouvette mais aussi implique la présence de bords libres qui, nous le verrons, ont une influence sur l’endommagement.