Experimental and numerical study of behaviour, damage and crack propagation of polyamid 6
Comportement, endommagement et fissuration par fluage du Polyamide 6 : étude expérimentale et modélisation
Résumé
PolyAmide 6 (PA6) is a semi-crystalline polymer utilised in many structural components working under steady load. At room temperature, PA6 exhibits complex time dependent (viscoplastic) deformation. The aim of this work is to investigate the PA6 mechanical response as well as the crack initiation and growth under creep conditions at room temperature. The experimental database consists of tests carried out on smooth and notched round bars with various notch root radii. Load versus displacement curves were recorded for tensile monotonic tests at various crosshead speeds. Then, creep tests with constant loads were performed. Creep strain history was plotted for each applied load. Stabilised and stationary creep was observed with two regimes of creep strain rate depending on the level of the applied load. Microscopic observations on cryo-fractured samples highlight the initial spherulitic structure and an initial porosity of about 1.5%. Investigations on samples issued from both interrupted and failure tests allowed evidencing deformation and damage mechanisms. Namely, fracture surfaces clearly showed ductile to brittle failure mechanisms, whereas ductile regime, based on void growth and coalescence, seems to exhibit three various features according the stress triaxiality ratio. Creep strain histories on smooth specimens were used in order to identify material coefficients dealing with both analytical and FE modelling. This latter was provided with multi-mechanisms constitutive relations accounting for crystallinity index. Damage mechanics and fracture mechanics concepts were applied thanks to opening displacement database on notched specimens. To this end, non linear fracture mechanics for creeping solids approach, via C* parameter, was applied to the pre-cracked specimens. A master curve relating C* parameter to the time to failure was obtained. Furthermore, multimechanisms model was associated with mechanics of porous media to simulate void growth in the ductile failure regime. The influence of damage coefficients is discussed. Local parameters such as porosity in the amorphous/ crystalline phases were analysed regarding the damage mechanisms depicted in previous sections.
Le PolyAmide 6 (PA6) est un polymère semi-cristallin couramment utilisé dans des structures sollicitées en fluage. A température ambiante, le PA6 présente une viscosité importante. L'objectif de cette étude consiste à analyser d'une part, le comportement mécanique du PA6, et d'autre part de comprendre les mécanismes d'amorçage et de propagation de fissures, sous chargement statique à température ambiante. Des essais mécaniques ont été réalisés sur éprouvettes axisymétriques lisses et entaillées, avec différents rayons en fond d'entaille. Des courbes contraintes / déformations ont été obtenues à partir d'essais de traction monotone, à différentes vitesses de chargement. Ensuite, des essais de fluage ont été réalisés pour décrire l'évolution de la déformation de fluage en fonction du niveau de contrainte appliquée. Un stade de fluage secondaire stabilisé a d'ailleurs été observé et deux régimes de vitesse de déformation de fluage, dépendant du niveau de contrainte appliquée, ont été mis en évidence. Des observations microscopiques, après cryofractographie, ont permis de révéler la microstructure sphérolitique initiale du PA6 de l'étude. Une porosité initiale de 1,5% a également été mise en évidence. Les analyses réalisées, à la suite d'essais interrompus ou surdes faciès de rupture, ont permis de mettre en évidence les mécanismes de déformation et d'endommagement. Aussi, les observations des faciès de rupture ont clairement mis en évidence les mécanismes de transition entre les zones ductiles et la rupture finale fragile. Il semblerait enfin que le régime ductile, basé sur la croissance et la coalescence des cavités, évolue différemment en fonction du taux de triaxialité des contraintes. Les essais de fluage sur éprouvettes lisses ont permis l'identification des paramètres matériaux nécessaires aux modélisations analytique et par Eléments Finis. Des modèles multimécanismes, physiquement motivés et dédiés au calcul par Eléments Finis, sont proposés, prenant en compte le taux de cristallinité. On se propose d'utiliser les outils de la Mécanique Non Linéaire de la Rupture pour estimer la durée de vie d'une structure : l'approche globale permet d'établir une courbe maîtresse reliant le temps à rupture au paramètre de chargement C*. Les résultats des essais sur éprouvettes fissurées ont permis de calcul le paramètre C*. Enfin des modèles multimécanismes, physiquement motivés et dédiés au calcul par Eléments Finis, ont été développés pour modéliser le comportement de structures en PA6. Une modélisation couplée entre comportement et endommagement a été proposée afin de tenter de prendre en compte l'ensemble des résultats et conclusions apportées dans les thématiques précédentes. L'utilisation de la Mécanique des Milieux Poreux permet notamment de simuler la croissance des cavités lors du régime de fissuration ductile. L'influence des coefficients relatifs à l'endommagement a été décrite. L'accès aux variables locales ainsi qu'aux tenseurs des contraintes et déformations, propres aux phases amorphe et cristalline, est possible : l'évolution de la porosité propre à chaque phase a ainsi été analysée, en comparaison des mécanismes d'endommagement précédemment décrits.
Loading...