FR3140172A1 - Eprouvette pour essai mécanique - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une éprouvette pour essai mécanique comprenant une face supérieure et une face inférieure, caractérisée en ce que ladite éprouvette comprend successivement de sa face supérieure vers sa face inférieure : une portion supérieure (10) en un premier matériau métallique, une portion intermédiaire (20) en un matériau composite liée à la portion supérieure (10) par une première interface adhésive (41), etune portion inférieure (30) en un matériau présentant une résistance à la traction supérieure à une résistance à la traction dudit matériau composite, ladite portion inférieure (30) étant liée à la portion intermédiaire (20) par une deuxième interface adhésive (42),une épaisseur (a) de la portion supérieure (10) étant supérieure ou égale à la somme d’une épaisseur (b) de la portion intermédiaire (20) et d’une épaisseur (c) de la portion inférieure (30). Figure pour l’abrégé : Fig 4
Description
La présente invention concerne le domaine de l’industrie aéronautique et plus particulièrement la fabrication de pièces en composite à matériau organique (CMO) telles que les hélices, les aubes, pour tout type de moteur.
Les aubes de soufflante de certains moteurs peuvent être réalisées en matériau composite à matrice organique (CMO). Un tel moteur 9 est illustré dans la . Pour protéger les aubes de soufflante 90 de l’érosion et améliorer le comportement à l’ingestion d’oiseau, un bord d’attaque métallique 91 peut y être collé.
Des essais ont mis en évidence qu’un impact d’oiseau peut générer un décollement du bord d’attaque métallique, localisé soit dans la colle, soit à l’intérieur du matériau composite. Les paramètres clés pour le type d’endommagement observé sont la qualité de l’interface réalisée pendant la fabrication de la pièce, et le mode de sollicitation (par exemple en ouverture, en cisaillement, ou en un mode mixte).
A l’échelle éprouvette matériau, les essais pour la caractérisation d’un collage disponibles aujourd’hui en littérature s’intéressent uniquement à la caractérisation mécanique d’une épaisseur de colle uniforme entre deux substrats. C’est le cas des essais de cisaillement simple (par exemple norme EN 2243), cisaillement double (par exemple norme ASTM D3528), pelage (par exemple norme EN 2243), cisaillement au tube (par exemple norme Pr EN 2667-2), clivage (par exemple norme ASTM D3433), pelage en T (par exemple norme NF EN 1939), etc.
Cependant, ces essais ne permettent pas une maitrise de la localisation de la fissure, ni de la mixité des modes de propagation de l’endommagement. Les modes à distinguer sont le mode d’ouverture illustré à la , le mode de cisaillement illustré à la , et un mode de vissage.
Les essais de cisaillement sur tube (TAST, acronyme du terme anglo-saxon Thick Adherent Shear Test) suivant la norme ASTM D5656 (ou NF EN 14869-2), et les essais de clivage et pelage en T, permettent de caractériser la tenue en cisaillement d’un adhésif avec des substrats métalliques. Par contre, la mixité de mode de propagation n’est pas maitrisée car le dispositif est sensible aux effets de bord. Il est donc impossible de caractériser la rupture proche de l’interface constatée par les essais sur pièce réelle.
Autour d’un dispositif de flexion 3 points, le test de résistance à cisaillement interlaminaire (ILSS, acronyme du terme anglo-saxon Interlaminar Shear Strength) selon la norme ASTM D2344 sur appuis rapprochés se limite à des échantillons d’épaisseur faible (6 mm). Les essais de flexion à une extrémité entaillée (ENF, acronyme du terme anglo-saxon End-Notched Flexure) selon la norme ASTM D7905 sont conduits pour étudier la propagation de fissure sur une éprouvette pré-fissurée. Ils sont les plus couramment utilisés bien qu’ils aboutissent à une propagation instable. Enfin les normes ISO 178 et ASTM D790 concernent un matériau homogène qui rompt en traction sur sa face inférieure. Ces normes ne visent pas la détection d’une rupture en cisaillement.
Un but de l’invention est de mettre à disposition une éprouvette permettant de caractériser de manière fiable et localisée une rupture en cisaillement apparaissant d’une interface adhésive entre une portion en matériau métallique et une portion en matériau composite, en particulier un matériau CMO.
A cette fin, l’invention propose une éprouvette pour essai mécanique comprenant une face supérieure et une face inférieure, caractérisée en ce que ladite éprouvette comprend successivement de sa face supérieure vers sa face inférieure :
- une portion supérieure en un premier matériau métallique,
- une portion intermédiaire en un matériau composite liée à la portion supérieure par une première interface adhésive, et
- une portion inférieure en un matériau présentant une résistance à la traction supérieure à une résistance à la traction dudit matériau composite, ladite portion inférieure étant liée à la portion intermédiaire par une deuxième interface adhésive,
- une épaisseur de la portion supérieure étant supérieure ou égale à la somme d’une épaisseur de la portion intermédiaire et d’une épaisseur de la portion inférieure.
L’ajustement des épaisseurs des substrats permet de concentrer les contraintes sur une seule interface entre la portion supérieure et la portion intermédiaire, et de protéger le composite d’un endommagement non-désiré sur ses faces supérieures et inférieures.
De préférence, le matériau de la portion inférieure est un deuxième matériau métallique.
De manière avantageuse, le rapport entre l’épaisseur de la portion supérieure et la somme des épaisseurs de la portion supérieure, la portion intermédiaire et la portion inférieure est compris entre 0,5 et 0,6. Le rapport entre l’épaisseur de la portion intermédiaire et l’épaisseur de la portion inférieure est compris entre 0,8 et 1,2.
Avantageusement, le matériau composite comprend une matrice en un polymère et une structure tissée en fibres. Les fibres peuvent être des fibres de carbone, de verre ou d’aramide. Le polymère est de préférence une résine thermodurcissable.
L’invention se rapport également à un procédé de fabrication d’une éprouvette telle que décrite ci-dessus, comprenant les étapes suivantes :
- la fabrication d’une portion en un matériau composite, ladite portion présentant une face supérieure et une face inférieure opposée à la face supérieure,
- le collage d’une portion inférieure sur la face inférieure, ladite portion inférieure étant en un matériau présentant une résistance à la rupture et une résistance à la traction respectivement supérieures à une résistance à la rupture et une résistance à la traction du matériau composite, et
- le collage d’une portion supérieure en métal sur la face supérieure, ladite portion en métal présentant une épaisseur supérieure ou égale à la somme des épaisseurs de la portion en un matériau composite formant une portion intermédiaire, et la portion inférieure collée sur la face inférieure.
L’invention se rapporte aussi à un procédé de fabrication d’une éprouvette telle que décrite ci-dessus, comprenant les étapes suivantes :
- la mise à disposition d’un moule apte à être mis sous pression et chauffé,
- l’insertion d’une première portion en métal destinée à former la portion supérieure de l’éprouvette sur une première paroi intérieure du moule, ladite première portion présentant une épaisseur supérieure ou égale à la moitié de la hauteur du moule,
- l’insertion d’une structure tissée en fibres dans la cavité,
- l’insertion d’une seconde portion destinée à former la portion inférieure en un matériau présentant une résistance à la traction supérieure à 1000MPa sur une deuxième paroi intérieure du moule opposée à la première paroi du moule, de sorte à former une cavité entre la première portion et la seconde portion,
- L’application d’une couche en un polymère adhésif sur les surfaces de la première portion et la seconde portion formant la cavité,
- l’injection d’un polymère dans la cavité, et
- la réticulation du polymère par application d’une température et/ou une pression supérieure à la température et/ou pression ambiante de sorte à former une portion intermédiaire en matériau composite.
L’invention concerne également un procédé de test d’essai mécanique comprenant les étapes suivantes :
- la mise à disposition d’une éprouvette telle que décrite ci-dessus,
- l’application d’une contrainte sur deux zones d’appui agencées sur une face libre de la portion inférieure de l’éprouvette et sur au moins une zone d’appui agencée sur une face libre de la portion supérieure de l’éprouvette, l’au moins une zone d’appui sur la face libre de la portion supérieure étant agencée entre les zones d’appui sur la face libre de la portion inférieure,
- la détermination d’une rupture à l’interface entre la portion supérieure et la portion intermédiaire en fonction de la contrainte et/ou d’un déplacement des zones d’appui.
De manière avantageuse, une couche de peinture présentant un motif optique est appliquée sur une face latérale de l’éprouvette et la détermination de la rupture est réalisée par un procédé d’imagerie ou d’enregistrement vidéo dudit motif optique. De préférence, le motif optique est un motif de points foncés désordonnées sur un fond clair.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
La montre une soufflante d’un moteur d’aéronef.
Les figures 2A et 2B illustrent différentes modes de sollicitation pouvant provoquer une rupture d’une éprouvette.
La est une vue en perspective d’une éprouvette selon l’invention.
La est une vue schématique en coupe d’une éprouvette selon l’invention et les points d’appuis lors d’une procédure de test.
La illustre un mode de fabrication d’une éprouvette selon l’invention.
Les figures 6A à 6E illustrent un autre mode de fabrication d’une éprouvette selon l’invention.
La montre une éprouvette selon l’invention après une procédure de test provoquant une rupture.
La montre différentes contraintes dans les différentes portions d’une éprouvette selon l’invention en fonction du rapport d’épaisseur entre la portion intermédiaire et la portion inférieure.
La illustre une éprouvette selon l’invention. L’éprouvette se présente sous forme d’un parallélépipède généralement allongé présentant une longueur selon un axe X, une largeur selon un axe Y, et une épaisseur selon un axe Z. Dans ce qui suit, l’éprouvette est décrite dans une orientation typique pour un test de flexion, c’est-à-dire la face supérieure et la face inférieure de l’éprouvette sont destinées à recevoir des moyens de sollicitation lors d’un tel test.
L’éprouvette comprend, de sa face supérieure vers sa face inférieure, une portion supérieure 10, une portion intermédiaire 20 et une portion inférieure 30. Les portions supérieure 10 et intermédiaire 20 sont liées par une première interface adhésive 41. Les portions intermédiaire 20 et inférieure 30 sont liées par une deuxième interface adhésive 42. Les première et deuxième interface adhésives 41, 42 sont par exemple des couches de polymère adhésif. L’épaisseur du film ou de la couche adhésive est beaucoup plus faible que les épaisseurs des différentes portions et ne sera pas prise en compte lors de la description des dimensions des différents éléments.
La portion supérieure 10 est en un matériau métallique. Avantageusement, la portion supérieure 10 est en un matériau métallique utilisé pour des aubes de soufflante, par exemple en titane ou en acier ou en un alliage Nickel-Cobalt.
La portion intermédiaire 20 est en un composite, par exemple du type CMO. Le composite peut comprendre une matrice en polymère et une structure de fibres de renfort incorporées dans la matrice polymère. La matrice polymère est typiquement en une résine thermodurcissable telle qu’un époxyde, une bismaléimide ou une polyimide. Les fibres de renfort incorporées dans la matrice en polymère sont par exemple des fibres en un matériau de carbone, de verre, d’aramide ou d’une autre fibre adaptée pour être incorporé dans la matrice polymère. De préférence, les fibres se présentent sous forme de structure tissée pour garantir une plus grande résistance mécanique du matériau composite. Une telle structure peut être tissée en unidirectionnel, en satin, sergé ou en interlock 3D ou par un autre mode de tissage selon le type de fibres et la géométrie et le comportement mécanique souhaité dans l’utilisation finale du matériau CMO.
La portion inférieure 30 est en un matériau présentant une résistance à la traction supérieure à la résistance à la traction du matériau composite de la portion intermédiaire 20.
La résistance à la traction se caractérise par des critères en déformation et en contraintes admissibles pour le matériau. En particulier, la contrainte maximale en traction Rm (tensile strength en anglais désignant une résistance à la rupture) est l’effort maximal que peut supporter un matériau avant de rompre. Lorsque celle-ci est atteinte, une fissure se propage macroscopiquement et cela se traduit par une chute de la force appliquée sur l’échantillon. La résistance à la traction est indiquée en N/mm².
La résistance à la traction élevée de la portion inférieure 30 permet d’éviter que celle-ci s’endommage avant l’interface 41.
Il est également nécessaire que le matériau de la portion inférieure 30 puisse subir une déformation non-plastique lors des essais, et qu’un collage fiable avec la portion intermédiaire 20 en composite puisse facilement être réalisé.
De préférence, la portion inférieure 30 est en un matériau métallique. Dans ce cas, le matériau métallique de la portion inférieure 30 peut être identique ou différent du matériau métallique de la portion supérieure 10. De manière alternative, le matériau de la portion inférieure 30 peut être en un autre matériau présentant une bonne résistance à la traction, par exemple un matériau composite à matrice céramique ou un ciment.
En référence à la , l’épaisseur h de l’éprouvette peut être comprise entre 1 et 5 cm, de préférence proche de 2 cm. L’épaisseur a de la portion supérieure 10 est supérieure ou égale à la somme des épaisseurs b+c de la portion intermédiaire 20 et de la portion inférieure 30. Avantageusement, l’épaisseur de la portion supérieure 10 est égale ou proche de la somme b+c respectivement des épaisseurs de la portion intermédiaire 20 et de la portion inférieure 30. Ce dimensionnement permet de localiser la contrainte maximale de cisaillement appliquée lors de la procédure d’un test de flexion à proximité de l’interface entre la portion supérieure 10 et la portion intermédiaire 20.
Le rapport entre l’épaisseur b la portion intermédiaire 20 et l’épaisseur c de la portion inférieure 30 est avantageusement compris entre 0,8 et 1,2.
On va maintenant décrire les différentes étapes de la fabrication d’une éprouvette selon l’invention. Typiquement, on réalise des panneaux comportant une portion supérieure, une portion intermédiaire et une portion inférieure destinées à former les portions correspondantes d’un lot d’éprouvettes. L’épaisseur de chaque panneau correspond à l’épaisseur de l’éprouvette à fabriquer. Les dimensions latérales et/ou longitudinales de chaque panneau sont supérieures aux dimensions d’une éprouvette afin de réaliser une pluralité d’éprouvettes identiques à partir de chaque panneau.
Un premier mode de réalisation d’un tel panneau est illustré dans la . Le panneau est fabriqué par réalisation d’un substrat composite et un collage subséquent des portions métalliques.
Dans un premier temps, on réalise un substrat 200 en composite par un procédé générique représentatif de la fabrication de l’aube dans lequel le composite sera utilisé. Ce procédé générique peut être une technique de moulage par voie liquide (LCM, acronyme du terme anglo-saxon Liquid Composite Molding) telle que le procédé de moulage par transfert de résine sous vide (VARTM, acronyme du terme anglo-saxon Vacuum Assisted Resin Transfert Molding).
Une préforme sèche en fibres tissées est positionnée à l’intérieur de la cavité d’un moule pour injection de résine liquide (RTM, acronyme du terme anglo-saxon Resin Transfert Molding) comprenant un point d’entrée de résine et un point de sortie de résine. Avantageusement, le point de sortie est agencé sur une face du moule opposée à la face comportant le point d’entrée. Ensuite, une résine en un matériau polymère thermodurcissable est injectée dans la cavité. Communément, on suit le cycle d’injection préconisé par le fabricant de la résine polymère en termes de temps, de température, et de pression. Après l’extraction du matériau composite du moule, on peut effectuer un traitement de surface, par exemple un sablage et/ou un nettoyage et/ou réaliser une découpe pour adapter la géométrie aux dimensions de l’éprouvette à réaliser.
Ensuite, les substrats 100 et 300 sont collés au substrat composite 200. D’abord, un primaire de collage compatible à l’adhésif choisi et/ou un traitement de surface spécifique, par exemple un traitement laser du métal, peut être appliqué à une ou plusieurs surfaces à coller pour améliorer le collage. Les couches adhésives 41a et 42a sont ensuite appliquées entre les substrats sur les surfaces 120 et 320. Enfin, l’ensemble subit un protocole permettant de polymériser les adhésifs, c’est-à-dire de les réticuler pour qu’ils durcissent et créent des liaisons avec les substrats. Un autoclave peut par exemple réaliser cette opération. Les conditions sont choisies pour assurer une bonne polymérisation de l’adhésif sans endommager la plaque de composite.
A titre d’exemple, le composite peut être réalisé avec de la fibre de carbone IM7 (société Hexel) et de la résine époxyde PR520 (société Solvay). Ces éléments sont associés à l’adhésif époxy AF191K (société 3M) et au primaire BR6747-1NC (société Solvay) pour coller des plaques métalliques en alliage de titane.
De manière alternative, le panneau pour fabriquer un lot d’éprouvettes selon l’invention peut être réalisée par un procédé de co-cuisson dans un moule d’injection 80 fermé tel qu’illustré à la . Dans ce mode de réalisation, en référence à la , on insère un premier substrat 101 en métal destiné à former la portion supérieure du panneau à l’intérieur d’un moule d’injection 80. Le substrat 101 est en contact surfacique avec une première paroi intérieure 84 du moule 80. On applique le polymère de colle destiné à former une couche adhésive 41b sur le substrat 101 dans le moule 80. On insère par la suite, en référence à la , une structure tissée 27 en fibres de renfort au-dessus du substrat 301.
Après l’insertion de la structure tissé, en référence à la , on insère un deuxième substrat 301 destiné à former la portion inférieure.. Le deuxième substrat 301 comporte sur sa face inférieure une couche en polymère de colle destinée à former la couche adhésive 42b après polymérisation. La face supérieure est en contact surfacique avec une deuxième paroi intérieure 83 du moule 80 opposée à la première paroi intérieure 84. La cavité formée entre le premier substrat 101 et le deuxième substrat 301 comporte la structure tissée 27. La hauteur de la cavité correspond à la hauteur 21 de la portion intermédiaire à former.
De manière alternative, on peut commencer par l’insertion de la couche 301 destinée à former la portion inférieure de l’éprouvette, et insérer la couche 101 destinée à former la portion supérieure de l’éprouvette après l’insertion de la structure tissée.
En référence à la , on injecte par la suite le polymère destiné à former la matrice du matériau composite de la portion intermédiaire du panneau dans la cavité comprenant la structure tissée 27. L’injection est réalisée à travers une entrée 81 dans le moule d’injection. Le polymère excédentaire peut être évacué via une sortie 82 sur le côté opposé du moule 80. On suit typiquement le cycle d’injection préconisé par le fabricant de la résine polymère en termes de temps, de température et de pression. La portion en composite et les couches adhésives sont ainsi polymérisées simultanément. Dans ce mode de réalisation, on choisit notamment le deuxième substrat en un matériau résistant aux températures et pressions du cycle d’injection.
Il est également possible d’utiliser une combinaison de deux modes de réalisation et former, par exemple, un panneau de comportant deux portions par co-cuisson et ajouter par la suite une troisième portion par collage d’un substrat.
Le panneau finalisé est ensuite usiné pour le découper en longueur et/ou en largeur pour former une pluralité d’éprouvettes. Compte tenu de l’épaisseur de la portion supérieure en métal, l’usinage est préférentiellement réalisé par une technique de découpe jet d’eau. À titre d’exemple, la largeur d’une éprouvette varie classiquement entre 20 et 30 mm et sa longueur (2L) est comprise entre 100 et 200 mm.
Dans certains cas, une seule éprouvette peut être formée de la même manière dans ses dimensions envisagées. Dans ce cas, l’étape de découpe n’est pas nécessaire.
Par essai mécanique, on comprend généralement un test des propriétés mécaniques d’une éprouvette. Ce type de test inclut les essais de flexion qui sont l’application principale de l’éprouvette présentée ci-dessus.
Le test de flexion est typiquement réalisé sur un dispositif de flexion 3 points conventionnel. Un tel dispositif est représenté de manière schématique en vue de côté sur la . Dans le dispositif de flexion, l’éprouvette est positionnée sur deux supports distants 60 d’environ 2l =125 mm.
Le test est réalisé à une température comprise entre -55°C et la température de transition vitreuse de la matrice du composite. Par exemple, pour une matrice en PR520 la température de transition vitreuse est d’environ 160°C.
L’effort est appliqué par un déplacement vertical d’un rouleau 50 situé à distance égale entre les deux supports 60. Le déplacement est donc perpendiculaire aux interfaces adhésives 41, 42. L’essai est réalisé à une vitesse de déplacement imposée adaptée à l’épaisseur h et à la raideur de l’éprouvette. On cherche à conduire le test dans un domaine élastique des différents matériaux des portions 10, 20, 30 formant l’éprouvette. Typiquement, la vitesse de déplacement est comprise entre 0,1mm/min et 10mm/min.
Le déplacement imposé au rouleau 50 engendre des efforts de traction/compression et de cisaillement dans l’éprouvette. À proximité du plan horizontal central (appelé fibre neutre pour une poutre homogène), la contrainte de cisaillement est maximale et la contrainte de traction/compression est nulle.
Les déformations dans l’éprouvette sont mesurées grâce à un dispositif externe de corrélation d’images. A cet effet, un motif optique est réalisé sur une face avant de chaque éprouvette. Par une face avant, on entend une face extérieure parallèle à l’axe longitudinal X et l’épaisseur h de l’éprouvette, c’est-à-dire un plan en (X, Z) dans la . La face avant est visible par les caméras lors de l’essai. Le motif optique est réalisé par application d’une ou plusieurs couches de peinture sur la face avant. Le motif optique comprend une pluralité de points foncés désordonnés sur un fond clair.
La face comportant le motif optique est filmée par deux caméras pendant le test de cisaillement. La comparaison des deux images permet d’observer de manière précise les champs de déplacement au sein de l’éprouvette et de déterminer ainsi les déformations de l’éprouvette.
Déformation et rupture en fonction de l’épaisseur des portions
Lors d’un test de flexion, la contrainte de cisaillement est maximale à proximité d’un plan central horizontal de l’éprouvette qui correspond à la fibre neutre pour une éprouvette homogène. La position précise du cisaillement maximal dépend des propriétés mécaniques des matériaux formant l’éprouvette et des épaisseurs des portions supérieures 10, intermédiaires 20 et inférieures 30.
On choisit les épaisseurs a, b, c des portions 10, 20, 30 respectives de sorte que le maximum de déformation se produise au niveau de la première interface 41 entre la portion supérieure 10 et la portion intermédiaire 20. Cela permet de caractériser la tenue du collage entre la portion supérieure 10 et la portion intermédiaire 20 de manière ciblée.
Une telle rupture 70 proche du plan central horizontal de l’éprouvette est illustrée à la .
Ainsi, on choisit l’épaisseur a de la portion supérieure 10 pour qu’elle soit supérieure ou égale à la somme des épaisseurs b + c de la portion intermédiaire 20 et de la portion inférieure 30 : a b+c.
L’utilisation d’un rapport a b+c permet de garantir que la rupture de l’éprouvette ne se produise pas en compression dans le composite, notamment à la verticale du rouleau central 50. En effet, le composite n’est ainsi sollicité qu’en traction sous la fibre neutre.
On choisit donc de préférence un rapport a/h entre l’épaisseur a de la portion supérieure 10 et la somme (h=a+b+c) des épaisseurs de la portion supérieure 10, de la portion intermédiaire 20 et la portion inférieure 30 compris entre 0,5 et 0,6.
Il est important de respecter des rapports entre les épaisseurs a, b et c des trois substrats qui assurent une rupture en cisaillement à l’interface 41 en évitant d’endommager les substrats ou l’interface 42 d’abord.
Le rapport des hauteurs b et c entre la portion intermédiaire 20 et la portion inférieure 30 est choisi selon les caractéristiques des matériaux utilisés. La portion inférieure 30 est destinée à la protection de la portion intermédiaire 20 en composite. Ladite portion inférieure 30 permet d’éviter que la portion intermédiaire 20 subisse une rupture par traction à la verticale du rouleau central 50. Elle évite aussi d’endommager le matériau au niveau des contacts 65 avec les appuis 60.
On souhaite que la seconde interface 42 entre la portion intermédiaire 20 et la portion inférieure 30 ne subisse pas de rupture pendant le test de cisaillement pour éviter toute perturbation de la caractérisation de la première interface 41.
La montre différentes contraintes dans les différentes portions 10, 20, 30 d’une éprouvette selon l’invention en fonction de l’épaisseur b de la portion intermédiaire 20. Dans les essais, l’épaisseur de la portion supérieure 10 est fixée à a=10mm et la somme des épaisseurs b et c de la portion intermédiaire 20 et la portion inférieure 30 est maintenue à b+c=10mm. La première interface 41 est donc localisée au plan central de l’éprouvette.
La courbe 8a montre la contrainte dans la seconde interface 42 (entre la portion intermédiaire 20 et la portion inférieure 30) par rapport à la contrainte dans la première interface 41 (entre la portion supérieure 10 et la portion intermédiaire 20). Quand la portion intermédiaire 20 en composite est mince par rapport à la portion inférieure 30 (b est faible), la seconde interface 42 s’approche de la première interface 41. La différence de cisaillement entre les deux interfaces 41, 42 est donc moins marquée. Dans ce cas, la seconde interface 42 peut subir facilement une rupture avant ou en même temps que la première interface 41, ce qui implique un biais de l’analyse de la première interface 41. On souhaite donc augmenter l’épaisseur b de la portion intermédiaire 20 pour minimiser cette valeur et pour localiser la contrainte dans la première interface 41 destinée à la caractérisation des matériaux.
La courbe 8b représente la contrainte à l’intérieur du matériau composite de la portion intermédiaire 20. Quand cette contrainte est élevée, une rupture est susceptible d’apparaître dans l’épaisseur de la portion intermédiaire 20. Plus la portion intermédiaire 20 en composite est épaisse (b est élevé), plus le cisaillement à cœur du composite est important et celui-ci risque de s’endommager avant une rupture au niveau de la première l’interface 41. On souhaite donc minimiser la valeur de la courbe 8b et réduire l’épaisseur b de la portion
La courbe 8c se réfère à l’axe des ordonnées de droite. Elle exprime le rapport entre la contrainte maximale de cisaillement à l’interface 41 et la somme de toutes les contraintes que subit cette même interface à l’endroit de cisaillement maximal. Afin de comparer les résultats des tests avec des modèles théoriques, on souhaite un mode de sollicitation du type cisaillement soit prédominant. Cela correspond au maximum de la courbe 8c.
Prenant en compte ces contraintes, un compromis pour un rapport des épaisseurs proche de b/c = 1 est le plus adapté. On vise donc un rapport b/c entre ces deux portions 20, 30 compris entre 0,8 et 1,2 ou plus avantageusement entre 0,9 et 1,1.
Quand l’épaisseur b de la portion intermédiaire 20 est proche de l’épaisseur c de la portion inférieure 30, la seconde interface 42 est peu sollicitée pendant un essai de flexion et ne subit aucune rupture avant ou pendant la rupture au niveau de la première interface 41. En même temps, la contrainte à l’intérieur de la portion intermédiaire 20 est maitrisée pour éviter un risque de rupture à l’intérieur de la portion intermédiaire 20 dans une zone éloignée de la première interface 41.
Claims (12)
- Eprouvette pour essai mécanique comprenant une face supérieure et une face inférieure, caractérisée en ce que ladite éprouvette comprend successivement de sa face supérieure vers sa face inférieure :
- une portion supérieure (10) en un premier matériau métallique,
- une portion intermédiaire (20) en un matériau composite liée à la portion supérieure (10) par une première interface adhésive (41), et
- une portion inférieure (30) en un matériau présentant une résistance à la traction supérieure à une résistance à la traction dudit matériau composite, ladite portion inférieure (30) étant liée à la portion intermédiaire (20) par une deuxième interface adhésive (42),
- une épaisseur (a) de la portion supérieure (10) étant supérieure ou égale à la somme d’une épaisseur (b) de la portion intermédiaire (20) et d’une épaisseur (c) de la portion inférieure (30).
- Eprouvette selon la revendication 1, dans laquelle le matériau de la portion inférieure (30) est un deuxième matériau métallique.
- Eprouvette selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle le rapport entre l’épaisseur (a) de la portion supérieure (10) et la somme (h) des épaisseurs (a, b, c) de la portion supérieure (10), la portion intermédiaire (20) et la portion inférieure (30) est compris entre 0,5 et 0,6.
- Eprouvette selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle le rapport entre l’épaisseur (b) de la portion intermédiaire (20) et l’épaisseur (c) de la portion inférieure (30) est compris entre 0,8 et 1,2.
- Eprouvette selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle le matériau composite comprend une matrice en un polymère et une structure tissée en fibres.
- Eprouvette selon la revendication 5, dans laquelle les fibres sont des fibres de carbone, de verre ou d’aramide.
- Eprouvette selon l’une des revendications 5 à 6, dans laquelle le polymère est une résine thermodurcissable.
- Procédé de fabrication d’une éprouvette selon les revendications 1 à 7 comprenant les étapes suivantes :
- la fabrication d’une portion en un matériau composite, ladite portion présentant une face supérieure et une face inférieure opposée à la face supérieure,
- le collage d’une portion inférieure (30) sur la face inférieure, ladite portion inférieure étant en un matériau présentant une résistance à la rupture et une résistance à la traction respectivement supérieures à une résistance à la rupture et une résistance à la traction du matériau composite, et
- le collage d’une portion supérieure (10) en métal sur la face supérieure, ladite portion en métal présentant une épaisseur supérieure ou égale à la somme des épaisseurs de la portion en un matériau composite (20) formant une portion intermédiaire, et la portion inférieure (30) collée sur la face inférieure.
- Procédé de fabrication d’une éprouvette selon les revendications 1 à 7 comprenant les étapes suivantes :
- la mise à disposition d’un moule (80) apte à être mis sous pression et chauffé,
- l’insertion d’une première portion en métal destinée à former la portion supérieure (10) de l’éprouvette sur une première paroi (83) intérieure du moule (80), ladite première portion présentant une épaisseur supérieure ou égale à la moitié de la hauteur du moule (80),
- l’insertion d’une structure tissée (27) en fibres dans la cavité,
- l’insertion d’une seconde portion destinée à former la portion inférieure (30) en un matériau présentant une résistance à la traction supérieure à 1000MPa sur une deuxième paroi (84) intérieure du moule (80) opposée à la première paroi (83) du moule (80), de sorte à former une cavité entre la première portion et la seconde portion,
- L’application d’une couche en un polymère adhésif sur les surfaces de la première portion et la seconde portion formant la cavité,
- l’injection d’un polymère dans la cavité, et
- la réticulation du polymère par application d’une température et/ou une pression supérieure à la température et/ou pression ambiante de sorte à former une portion intermédiaire (20) en matériau composite.
- Procédé de test d’essai mécanique comprenant les étapes suivantes :
- la mise à disposition d’une éprouvette selon l’une des revendications 1 à 7,
- l’application d’une contrainte sur deux zones d’appui (65) agencées sur une face libre (300) de la portion inférieure (30) de l’éprouvette et sur au moins une zone d’appui agencée sur une face libre (100) de la portion supérieure (100) de l’éprouvette, l’au moins une zone d’appui sur la face libre (100) de la portion supérieure étant agencée entre les zones d’appui (65) sur la face libre (300) de la portion inférieure (300),
- la détermination d’une rupture à l’interface entre la portion supérieure (10) et la portion intermédiaire (20) en fonction de la contrainte et/ou d’un déplacement des zones d’appui (65).
- Procédé selon la revendication 10 dans lequel une couche de peinture présentant un motif optique est appliquée sur une face latérale de l’éprouvette et la détermination de la rupture est réalisée par un procédé d’imagerie ou d’enregistrement vidéo dudit motif optique.
- Procédé selon la revendication 11 dans lequel le motif optique est un motif de points foncés désordonnées sur un fond clair.
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2022
- 2022-09-26 FR FR2209724A patent/FR3140172A1/fr active Pending
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| DIAB GROUP AB: "DIAB guide to core and sandwich", 7 December 2012 (2012-12-07), XP055202524, Retrieved from the Internet <URL:http://www.diabgroup.com/~/media/Files/Manuals-Guides/DIAB-guide-to-Core-and-sandwich_P1r2-locked.pdf> [retrieved on 20150715] * |
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