Mechanisms and mechanical modelling of deformation, damage and fracture of neat and rubber-toughened PolyAmide 11 - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2009

Mechanisms and mechanical modelling of deformation, damage and fracture of neat and rubber-toughened PolyAmide 11

Mécanismes et modélisation mécanique de la déformation, de l'endommagement et de la rupture du PolyAmide 11 pur et renforcé choc

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Abstract

Arkema is interested in the manufacturing of toughened thermoplastic materials by incorporating rubber particles in the matrix during the processing. The addition of a second phase of elastomeric particles is a common technique used to improve the toughness of a polymer. The presence of rubber particles induces a modification of the damage mechanisms by voids nucleation, growth and coalescence either within the rubber particles or at the interface rubber-matrix. The studied toughened polymers have a PolyAmide 11 (PA11) matrix which is a semi-crystalline thermoplastic. This material which has an initial amount of porosity of 1% whitens when loaded. Whitening is related to cavitation occuring within the material by voids growth which generates a volume change. Thus we investigate the damage by cavitation which may be transformed into craze which, in turn, may provoke the failure. The understanding of the damage mechanisms are analysed for the neat PA11, a plasticized and aged PA11 as well as two rubber toughened PA11. The materials named "aged P40", "aged P20 EPR" and "aged P20 XNBR" have been aged in similar conditions for the context of the study.
This PhD work highlights the fact that once again, the GTN model, initially developed to study the ductile failure of metallic materials, can be used in the case of semi-cristalline polymer. The model turns out to be relevant to describe the mechanical behaviour of the PA11 as well as its damage. As the PVDF, craze initiation may occur through two criteria : at high stress triaxiality ratio, the coaslescence of voids may induce the initiation of a crack whereas at low stress triaxiality ratio, it should be explained by the reach of a critical maximum principal plastic strain. Results from the numerical simulations taking into account the self heating of the polymer seem promising and agree well with the experimental results. Regarding the rubber-toughened PA11, this work also shows that rubber toughening may preserve the ductility of the materials despite the ageing and the range of accounted temperature below the glass transition. Therefore, we highlight that depending on the second phase characteristics, damage mechanisms may change and thus the crack initiation criterion may also change as well.
ARKEMA s'intéresse à la conception de matériaux thermoplastiques renforcés au choc en incorporant des particules dans le polymère pur au moment de la mise en forme et à l'effet du vieillissement hydrolitique sur ces mêmes matériaux. L'ajout d'une seconde phase de type élastomère est une technique souvent utilisée dans le but d'améliorer la résilience d'un polymère, celle-ci étant testée par essais Charpy. La présence de particules modifie les mécanismes d'endommagement par germination, croissance et coalescence de cavités soit en coeur des particules de renfort, soit à l'interface matrice-particule. La matrice des polymères renforcés de l'étude consiste en du PolyAmide 11 (PA11), un thermoplastique semi-cristallin. Ce matériau, qui possède une porosité initiale mesurée de l'ordre de 1% blanchit sous charge. Ce blanchiment est dû à une augmentation de la porosité par croissance de cavités, qui engendre une variation de volume. On s'intéresse donc aux phénomènes d'endommagement par cavitation dans les matériaux polymères, ceux-ci pouvant conduire jusqu'à la rupture finale. Dans la thèse, la compréhension des mécanismes d'endommagement est analysée aussi bien pour la matrice de PA11 neuf, pour la matrice de PA11 plastifiée et vieillie que pour deux matériaux renforcés.
Cette thèse montre qu'une nouvelle fois le modèle de Gurson-Tvergaard-Needleman, modèle initialement développé pour l'étude de la rupture ductile des matériaux métalliques, s'applique dans le cas d'un matériau polymère semicristallin. Le modèle s'avère pertinent pour décrire le comportement endommageable du matériau. Tout comme dans le PVDF, deux critères d'amorçage apparaissent : un critère en coalescence de cavités et un critère d'élongation des fibrilles. Les polymères se déformant rarement dans des conditions d'isothermie, l'auto-échauffement du matériau a été pris en compte en rendant les paramètres intervenant dans le modèle dépendant de la température ; les résultats s'avèrent intéressants et concordent bien avec ceux obtenus expérimentalement. La thèse met également en lumière la préservation de la ductilité par l'ajout d'une seconde phase de caoutchouc en dépit du vieillissement hydrolitique, dans une zone de température inférieure à la zone de température de transition vitreuse. Cependant nous montrons que, selon les caractéristiques de cette seconde phase, les mécanismes d'endommagement peuvent varier et ainsi le critère d'amorçage changer.
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Dates and versions

tel-00422223 , version 1 (06-10-2009)

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  • HAL Id : tel-00422223 , version 1

Cite

Guillaume Boisot. Mécanismes et modélisation mécanique de la déformation, de l'endommagement et de la rupture du PolyAmide 11 pur et renforcé choc. Sciences de l'ingénieur [physics]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2009. Français. ⟨NNT : 2009ENMP1635⟩. ⟨tel-00422223⟩
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