Mécanismes d’endommagement du AC-SMC

Après avoir caractérisé le comportement macroscopique du AC-SMC sous chargement quasi- statique ou fatigue, et mis en évidence les différents phénomènes macroscopiques (endommagement, et déformations résiduelles) prenant place dans le matériau, les processus de dégradation sont à leur tour analysés. Afin de mieux comprendre ces phénomènes, une analyse des faciès de rupture par radiographies aux rayons X et par observations microscopique au MEB sont effectués. Comme dans les deux chapitres précédents, une analyse bibliographique des modes de dégradation prenant place dans les composites SMC au fil de leurs évolutions est effectuée. Cette étude fournit un contexte dans le cadre duquel les observations et conclusions tirées des investigations effectuées sur l’AC-SMC sont interprétées. Comme dans le chapitre précédent, l’étude bibliographique porte sur les mêmes types de SMC (SMC-R30, LD-SMC, A-SMC) par soucis de cohérence. Dans les différentes publications concernées, l’investigation des mécanismes d’endommagement est conduite à travers l’analyse micrographique post-mortem des éprouvettes, et pour les générations les plus récentes (LD-SMC, A-SMC), d’une campagne d’essais in-situ. Les modes de dégradations des SMC (SMC-R26/-R30/-R50) classiques s’initient principalement dans les zones riches en matrice au niveau des concentrateurs de contraintes internes tels que les porosités ou l’extrémité de fibres. Les fissures ainsi formées se propagent selon une direction perpendiculaire à la direction de chargement. Lorsque ces fissures atteignent le renfort, celles-ci sont déviées, bloquées ou causent la rupture du renfort en fonction de l’orientation relative du renfort par rapport à la direction de chargement. L’ajout de sphères de verre creuses (LD-SMC) ne modifie significativement le scénario d’endommagement, elles remplacent les porosités et les extrémités de fibres en tant que concentrateurs internes. Le remplacement de la matrice polyester par une matrice vinylester (A-SMC) modifie le processus de dégradation du matériau composite. Si pour les précédents SMC les modes d’endommagement sont intrinsèquement liées à la matrice et à ses faibles propriétés mécaniques, pour le composite A-SMC le processus de dégradation s’initie principalement aux interfaces fibre/matrice et mèche/matrice. Cette évolution du mécanisme d’initiation de l’endommagement mène à une évolution de la propagation : conférer une orientation privilégiée au renfort se traduit mécaniquement par une orientation privilégiée de l’endommagement. Le remplacement des mèches de fibres de verre par des mèches de fibre de carbone a-t-il un impact sur les mécanismes d’endommagement ? La plus grande densité d’interfaces dans le matériau composite se traduit-il par une plus grande densité de fissures, par un endommagement plus homogène, ou au contraire, l’orientation du renfort attribue-t-il une orientation privilégiée et une localisation plus prononcée aux fissures ? L’analyse des modes de dégradations se produisant dans le AC-SMC couronne la caractérisation de ce matériau composite et constitue la dernière brique nécessaire à la rédaction d’un modèle, traité dans le chapitre suivant.

Comme présenté dans le chapitre précédent, les travaux de Mir et. al. [1] portant sur la caractérisation et la modélisation du comportement mécaniques d’un SMC-R30 constitué d’une résine polyester renforcée de mèches de fibres de verre (30% en masse) comportent aussi une part d’investigation sur les mécanismes d’endommagement. Ces analyses des modes de dégradation sont effectuées par observations post-mortem au microscope électronique à balayage (MEB) sur les faciès de rupture des échantillons. Comme présenté en Figure 4-1 (a) et (b), le faciès de rupture du composite montre de grandes fissures traversant la matrice de façon perpendiculaire à la direction de chargement (Figure 4-1 (a)). Selon les conclusions présentées [1], ces fissures suivent une évolution en plusieurs étapes. Tout d’abord, (i) elles se forment à l’extrémité de fibres ou au niveau des porosités, lieux de concentration de contraintes à l’échelle microscopique. Ensuite (ii), au fur et à mesure que la contrainte appliquée augmente ces fissures croissent. Enfin, comme illustré par la Figure 4-1 (b), lorsque ces fissures rencontrent les renforts, elles se propagent le long des interfaces et finalement causent la rupture des fibres.

Dans leurs travaux, Z. Jendli et. al. [2] s’attachent à identifier les mécanismes d’endommagement prenant place dans un SMC-R26 constitué d’une matrice polyester renforcée de 26% en masse de mèches de fibres de verre. La Figure 4-3 présente la réponse contrainte-déformation typique du SMC considéré. Cette réponse fait ressortir trois régimes du comportement élastique-endommageable traduisant l’évolution de l’endommagement : initiation, coalescence et accumulation. Différentes observations micrographiques ont été réalisées aux trois régimes du comportement et viennent confirmer les phase d’évolution de l’endommagement. Dans un premier temps la réponse linéaire du matériau traduit son comportement élastique réversible, au cours duquel aucun mécanisme d’endommagement n’apparaît. Ensuite, à environ 30% de la contrainte à rupture, la réponse devient non-linéaire ce qui est attribué à l’initiation de l’endommagement. Localement cette dégradation consiste en une succession de fissurations de la matrice à l’échelle microscopique, de décohésions des interfaces fibre/matrice et de rupture de fibres.