détermination d'un critère de fatigue multiaxial appliqué a un élastomère synthétique

203 Pages·2013·7.94 MB·French

UNIVERSITÉ FRANÇOIS – RABELAIS DE TOURS

ÉCOLE DOCTORALE Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l’Univers
Laboratoire de Mécanique et Rhéologie

THÈSE

présentée par :
Jean-Louis POISSON

soutenue le : 19 juin 201

pour obtenir le grade de : Docteur de l’université François – Rabelais de Tours
Discipline/ Spécialité : Génie Mécanique et Productique

DÉTERMINATION D’UN CRITÈRE DE
FATIGUE MULTIAXIAL APPLIQUÉ A
UN ÉLASTOMÈRE SYNTHÉTIQUE

THÈSE dirigée par :
M. RANGANATHAN Narayanaswami professeur, université François – Rabelais de Tours

RAPPORTEURS :
M. NADOT Yves professeur, université de Poitiers
M. CHRYSOCHOOS André professeur, université de Montpellier

JURY :
M. TRAN VAN François professeur, université François – Rabelais de Tours
M. RANGANATHAN Narayanaswami professeur, université François – Rabelais de Tours
M. LEJEUNES Stéphane ingénieur de recherche, université Aix-Marseille
M. LACROIX FLorian maître de conférences, université François – Rabelais de Tours
M. MEO Stéphane maître de conférences, université François – Rabelais de Tours

Amafamille,àmesamis
...

Remerciements
Cette thèse a été réalisée au Laboratoire de Mécanique et Rhéologie (LMR) de l’université François
RabelaisdeToursdansleslocauxduCentred’EtudeetdeRechercheMatériauxElastomère(CERMEL).
JeremercieNaranayaswamiRanganathan,directeurdulaboratoireetégalementmondirecteurdethèse
pourm’avoiroffertl’opportunitédemeneràbiencettethèsedansseslocaux.Jeleremercieégalement
pour m’avoir partagé son expérience scientifique et expérimentale qui m’aura été précieuse. Je lui suis
reconnaissant pour sa confiance et son soutien qu’il m’aura témoigné pendant toute la période de ma
thèse,cequim’aurapermisdevivredesexpériencestrèsenrichissantes.
Je remercie Florian Lacroix, tout d’abord pour m’avoir proposé cette offre de thèse, alors que j’étais
encore stagiaire au sein de Hutchinson Joué-les-Tours. Il aura été avec Stéphane Méo des encadrants
de premier choix tout au long de ma thèse. Ils ont réussi à me supporter, même si parfois, j’ai pu
être très difficile à encadrer, en bonne tête de lard que je suis. Ils avaient à eux deux des compétences
complémentaires (Expérimental et modélisation) qui, je l’espère, reflètent l’identité de ma thèse. Ils
étaientsurleterrainavecmoi,àmettrelesmainsdanslecambouisetjeleurenremercie.Leurconseil,
leurexpérience,etleurencadrementm’onétéindispensable;etsijesuislàoùj’ensuis,c’estengrande
partiegrâceàeux.Jesuisconscientdelachancequej’aipuavoirdetravaillerdansdetellesconditions.
Je remercie Patrice Méroz, conseiller scientifique de la société Hutchinson SNC Joué-les-Tours, pour
avoir su me faire profiter de sa longue longue expérience professionnelle de caoutchoutier. Comme il
aime à le dire, il a su me transformer, tout au long de ma thèse en quelqu’un de meilleur. Ca n’a pas
étésansmal,nenouslecachonspas.Cettetransformationadupasserpardescoupsdesabrerécurrents
(Je me demande encore comment j’ai fait pour garder ma tête sur mes épaules!!)!! Je le remercie
également pour avoir été une interface précieuse entre la société Hutchinson SNC de Joué-les-Tours et
moi.
JeremercielasociétéHutchinson,etparticulièrementlesmembresdudépartementmatériaupourm’avoir
fourni le matériau, nécessaire à la création de mes éprouvettes. Ils m’ont transmis leur savoir-faire en
termedemoulageeninjection(entreautre)etontsumelibérerdescréneauxpourquejepuissemouler
mes éprouvettes dans de bonnes conditions. Ce ne fut pas simple, vu les contraintes temporelles que
peuventimposerlaproduction.
iv
Jeremerciel’ensembledesmembresduCERMELavecquij’aieul’occasiondetravailler(GaelleBer-
ton, Marie-Pierre Deffarges, Stéphanie Marie Jeanne Tissier, Hassan Aldroe, Chloé Valantin, Hanaya
Hassan, Agathe Chauvin, Benoit Dubec, William Jolly, Romain Magnier, Quentin Lallement, Didier
Velin-Cassim, Joachim Zoungrana, Cindy Pinault, Laura Allipaz Acevedo et autres Stagiaires ou Etu-
diants en Projet de fin d’étude que je n’ai pas cité). Ils ont tous contribué à faire de moi ce que je suis
aujourd’hui. Ca a été un réel plaisir de travailler en leur compagnie et l’ambiance avec eux était juste
énorme!!C’estd’ailleurspourçaqueceseratrèstrèsdurpourmoidequitterleCERMEL,quiauraété
pourmoiunesecondefamille.Rienquepourça,jenepourraisjamaislesremerciersuffisamment.
Jetienségalementàremercierl’ensembledesmembresduLMRquim’ontbienaccueillisenleursein.
Ils m’ont témoigné d’une grande sympthie, d’une certaine complicité et je leur en suis reconnaissant.
J’aieud’ailleursl’opportunité,grâceauLMRetàl’écolePolytech’Tours,dedispenserdesTDetdesTP
àdesétudiantsdepremièreannéed’écoled’ingénieur.Cefutpourmoiuneexpérienceimportantecarça
m’amontrélesjoiesetlesmalheursquepeuventrencontrerlesenseignant-chercheursdansleurmission
d’enseignement.Transmettresonsavoiràdesétudiantsestuneexpérienceenrichissante,gratifianteetje
suisheureuxetfierd’avoirpuenprofiter.
Je remercie les membres du laboratoire d’informatique (LI), avec qui j’ai eu l’occasion de travailler
pendant un an au début de ma thèse. Cette expérience m’a permis de me familiariser avec les diverses
démarches administratives de l’université. Je remercie à cette occasion Jean-Charles Billaut, à cette
époque directeur du laboratoire d’informatique. Il fut l’un de mes soutiens lorsque je traversais des
momentsdifficilesaudébutdemathèse.
Je remercie l’ADOCT, avec qui j’ai pu partager les expériences de différents doctorants, provenant
de différents horizons. Ce fut très gratifiant car ma présence au sein de l’ADOCT m’a fait réellement
découvrir le monde associatif. Les membres du bureau ont été pour moi de très bons amis. Je ne me
rapelleraisjamaisassezdespartiesdetarotinterminables!!!
Je remercie mes amis qui ont été un soutien permanent pour moi. Je remercie Aurélie pour sa joie de
vivreetlesdiscussionsqu’onapuavoirentrethésards!!Tiensbonpourtadeuxièmethèse!!Jeremercie
Guillaumepoursaspontanéitéetsoncôtédélirantquim’ontpermisd’épicermonquotidien!!J’espère
que Bioforce va bien se passer pour toi!! Je remercie Alex pour son côté pétillant et pour toutes les
soirées de ouf qu’on a pu faire ensemble!! J’espère que tu vas te trouver ton Jules!! Je remercie Aoi
qui a du me supporter pendant trois ans en tant que Colloc, ça a pas du être facile!! Je suis sûr que tu
te dégoteras un bon VIE au Canada!! Je remercie Peloch avec qui on a eu de très bons délires!! Je
te souhaite de trouver ton bonheur en savoie!! Je remercie Leslie et Romain, futurs jeunes mariés et
ancienscollèguesdel’IFOCA.OnapassédesacrébonsmomentsensemblesurParisouàAnnecy!!Je
voussouhaitepleindebonheurpourvotreavenirentantquecouplemarié!!JeremercieAgnèsetLouis
avecquij’aipassédesacrébonnessoirées!!JeremercieégalementFrançouépourtouteslesdiscussions
interminablesqu’onapuavoirsurlecaoutchouc!!JeremercieAgathe,Chloé,Polo,Said,Christophe,
Alexis,Florian,Stéphane,Patrice,Gaëlle,Marjo,Romain,William,Quentinunesecondefois(lol)carils
ontétépourmoiunesacréboufféed’airfraispourmonquotidientourrangeaudetrouffiondethésard!!
Je remercie ma famille qui a toujours été aux petits soins pour moi, pour le meilleur et surtout pour le
pire. Je remercie tous mes proches que je n’ai pas encore cité pour m’avoir supporté pendant toute la
duréedemathèse.Certainespériodesdemathèseétaientvraimentvraimenttrèsdifficilesetj’aieudela
chancequemafamilleetmesamisétaientlàpourmesoutenir."Avaincresanspéril,onn’entireaucune
gloire"commedisaitl’autre...
Table des matières
Glossaire 1
Tabledesfigures 3
Listedestableaux 7
Introductiongénérale 8
Chapitre1 Matériaudel’étude 11
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2 Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.1 Ducaoutchoucnaturelaucaoutchoucsynthétique . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.2 Généralitéssurlesélastomères . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.3 Comportementmécaniquedesélastomères . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3 Matériaudel’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.1 Contexteindustriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.2 Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4 Dispositifsexpérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.1 MachinedetractionZwick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.2 ViscoanalyseurMetravib . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.3 Eprouvettesutilisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4.4 EprouvetteH2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4.5 Eprouvettededoublecisaillement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.5 Campagneexpérimentaledecaractérisationstatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5.1 Tractionquasi-statique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5.2 Tractioncyclique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5.3 Tractiondynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
v
vi
1.5.4 Relaxationdecontrainte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Chapitre2 Modélisationducomportementdesélastomères 47
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2 Cadredesgrandesdéformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2.1 Définitionsetdescriptiondumouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2.2 Descriptiondesdéformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2.3 Vitessededéformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.4 Descriptiondesefforts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.2.5 Equationsd’équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3 Loisdecomportement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3.2 Hyperélasticité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.3 Viscoélasticité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.4 Modèlesdéveloppés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.4.2 ModèleAnalytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.4.3 ModèleElémentsfinis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Chapitre3 Fatiguedesélastomères 87
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2 Approcheenpropagationdefissure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.3 Approcheeninitiationdefissure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.3.1 DiagrammedeHaigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.3.2 CourbesSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.4 Miseenplaceexpérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.4.1 Critèredefindevie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.4.2 Machinesdefatigue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.4.3 Protocoleexpérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.5 Résultatsenfatigue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.5.1 Fatigueuniaxiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.5.2 Fatiguemultiaxiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Chapitre4 Fractographie 131
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.2 Morphologiedeschargementsentraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.2.1 Zoned’initiationdefissure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.2.2 Zonederupturecatastrophique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.3 Morphologiedeschargementsmultiaxiaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.3.1 Zoned’initiationdefissure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.3.2 Zonecatastrophique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.4 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.4.1 Zoned’initiationdefissure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
vii
4.4.2 Zonecatastrophique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
ConclusionGénéraleetPerspectives 154
4.5 Conclusiongénérale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.6 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.6.1 Optimisationdel’éprouvette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.6.2 Fatigueàamplitudevariable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.6.3 Améliorationdumodèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.6.4 Etudeàdifférentesfréquences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.6.5 Etudepourdifférentsélastomères . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
AnnexeA DéterminationdeF¯¯ entraction-torsion 159
AnnexeB Tableauderésultatsenfatigueuniaxiale 161
AnnexeC Tableauderésultatsenfatiguemultiaxiale 165
AnnexeD Calculdutenseurd’Eshelby 173
AnnexeE MéthodedecalculducritèreCED 175
Bibliographie 179