Mécanique de la rupture Approche Globale

Le problème industriel de la thèse était d’arriver à prévoir le risque d’amorçage de fissure dans un pipeline en service. L’enjeu financier étant considérable, il ne s’agissait pas de se tromper sur les prédictions. Il fallait alors choisir une méthode robuste pour permettre d’approcher au mieux le problème du risque d’amorçage. Pour l’étude des mécanismes de déformations d’un polymère, le comportement élastique initial du matériau, le comportement en cours de déformation et le comportement à rupture doivent être connus pour qualifier complètement la résistance d’un matériau. En mécanique de la rupture actuellement, on dispose de deux grandes méthodes pour analyser la durabilité d’une structure pour un matériau donné : soit l’approche globale qui comme son nom l’indique utilise des grandeurs globales mesurables comme l’énergie nécessaire à l’amorçage, ou l’approche locale qui s’est beaucoup développée grâce à la performance des codes de calcul avec lesquels on peut accéder à des variables locales. Dans le cadre industriel, il s’agit d’identifier une méthode d’essai assez rapide pour permettre de donner un ordre de grandeur de la nocivité des défauts. Pour l’étude du PVDF, plusieurs questions se posaient concernant sa réponse sous différentes sollicitations. Il s’agissait par exemple de comprendre les influences de la géométrie de l’éprouvette sur les types de propagation de fissure observés et d’établir des critères de rupture sous chargement monotone.

L’approche globale paraît à première vue plus simple et plus rapide que l’approche locale qui nécessite l’établissement d’une loi de comportement. Elle permet de calculer des grandeurs d’énergie à l’amorçage ou ténacité (KIC, JIC), suivant différents types de géométries. La détermination expérimentale de ces grandeurs permet ensuite de tracer l’évolution des paramètres d’amorçage en fonction des températures et ainsi de donner une bonne estimation des zones de transition ductile/fragile. L’avantage de cette méthode est d’être assez simple d’utilisation et d’avoir été étudiée longuement sur de nombreux matériaux et notamment les métaux. Pour cette approche, la société Arkéma s’est proposée de réaliser un certain nombre d’essais d’amorçage et de propagation sur éprouvettes fissurées. Une étude bibliographique concernant cette approche a été réalisée au préalable afin de voir les domaines de validité et notamment les études concluantes effectuées sur les polymères. Le résumé qui va être fait ici de cette étude va permettre de comprendre ce que peut apporter l’approche globale comme information dans le cas de rupture ductile des polymères.  Dans cette partie du chapitre seront présentés des exemples d’applications de cette méthode aux polymères. On verra ses limites en particulier pour des matériaux caractérisés par de la viscosité et de la plasticité généralisée. On verra que la connaissance de la ténacité n’est pas toujours suffisante pour expliquer l’amorçage d’une fissure. On expliquera également pourquoi l’approche globale n’a pas été choisie pour expliquer les mécanismes d’amorçage et de propagation du PVDF.

Le facteur d’intensité des contraintes K

Une pièce métallique ou polymère sollicitée peut subir un certain endommagement. Cet endommagement peut mener dans certains cas à l’apparition de fissures macroscopiques. Ces fissures sont souvent de taille s suffisamment importantes pour satisfaire les hypothèses de continuité de la mécanique des milieux continus. On peut alors se placer dans le cadre de la mécanique de la rupture pour caractériser la nocivité de ce défaut [François et al, 1993]. d’ouverture, cf. Annexe I.1), facteur d’intensité des contraintes, et G le taux de restitution d’énergie, apportent des solutions dans la compréhension des mécanismes d’amorçage des polymères. On s’intéressera ensuite au paramètre J et à ses utilisations dans la mécanique de la rupture dans le cas où le matériau a un comportement élastique non-linéaire. Le facteur d’intensité des contraintes est le paramètre de chargement de la mécanique de la rupture préconisé pour les matériaux polymères caractérisés par un comportement élastique linéaire sur une large gamme de déformation (c’est par exemple le cas des polymères vitreux). Il peut être calculé à partir de différentes géométries d’éprouvettes de laboratoire. Pour les géométries « classiques », il existe des tables et des abaques qui permettent de calculer le facteur d’intensité des contraintes, en fonction de la charge et les dimensions caractéristiques de l’éprouvette (cf. Annexe I.2). La théorie de la mécanique linéaire de la rupture stipule qu’il existe une valeur limite du facteur d’intensité des contraintes qui caractérise l’amorçage et la propagation brutale de la rupture fragile pour un matériau donné pour n’importe quelle géométrie : c’est la ténacité KIC.