A study of damage and fracture of rubber materials under monotonic and cyclic loading

La connaissance du comportement des matériaux élastomères est un enjeu important pour la conception de composants ou de structures mécaniques. Que ce soit sous chargement monotone ou cyclique, uniaxial ou multiaxial, ces propriétés doivent être maîtrisées afin de construire des outils prédictifs de durée de vie robustes Dans la revue bibliographique, après une présentation des propriétés physico-chimiques des matériaux élastomères, les modèles pour décrire leur comportement monotone sont discutés. Sont également présentées, les mécanismes d'endommagement (effet Mullins, adoucissement cyclique) ainsi que les aspects liés à 1 a fatigue et à la rupture de ces matériaux. Dans une deuxième partie, qui concerne les chargements cycliques, on s'intéresse tout d'abord à l'endommagement de type Mullms. Des expénences réalisées sur un élastomére de type SBR, mettent en évidence ce mécanisme d'endommagement. Se basant sur les travaux de Miehe. la prédiction par ce type de modéle conduit à un accord acceptable avec les données expérimentales On s'intéresse ensuite à la prédiction de la durée de vie en fatigue en utilisant la définition de l'endommagement de Lemaltre. Sur la base d'une densité d'énergie d'Ogden d'ordre 4, on généralise un modéle développé par Wang permettant de calculer la durée de vie d'un élastomère. Ce modèle simple à deux paramètres permet de rendre à priori compte des évolutions observées expérimentalement en chargement uniaxial.On montre également les limites d'un tel modéle pour des chargements multiaxiaux. Dans la troisième partie, il s'agit de développer un outil prédictif de rupture des élastoméres sous chargement monotone et multiaxial Se basant sur le concept de défaut intrinsèque, et s'appuyant sur la mécanique de la rupture, on construit, par des simulations éléments finis en chargement biaxial, une courbe d'état limite dans le plan des élongations principales, dans le cas des contraintes planes. Les valeurs ainsi prédites sont en accord satisfaisant avec des données expérimentales pour deux matériaux différents (NR et SBR). Enfin, on tente de généraliser cette approche pour des cas où la pression hydrostatique est prépondérante, c'est-à-dire où la cavitation est le principal mécanisme de dégradationKnowledge of the behavior of rubber matenals is an important issue for the design of components and mechanical structures Whether under monotonic or cyclic loading, uniaxial or multiaxial, these properties must be known in order to build strong predictive tools of Iife duration. ln the literature review, after a presentation of physieo-chemical properties of elastomeric materials, models to deseribe their monotonic behavior are discussed. The mechanisms of damage (Mullins effect, stress softening ... ) and features related to fatigue and fracture of these materials are also presented. ln a second part, dealing with cyclic loading, we first focus on the Mullins effect. Experiments conducted on a SBR, highlight this mechanism of damage. Based on the work of Miehe, predicted responses by this model lead to a suitable agreement with the expenmental data. Further, we investigate the prediction of lifetime fatigue using the detimtion of damage givcn by Lemaitre. On the basis of a 4th order strain energy density of Ogden, a model developed by Wang to calculate the lifetime of an elastomer is generalized. This simple model requiring only two parameters to be identified, gives predicted values in agreement with expenmental data in the uniaxial loadmg. The limlts of such a modelling when applied to multiaxial loading are also presented. ln the third part, our purpose is to develop a predictive tool for fracture of rubbers under multiaxial but monotonic loading. Based on the concept of intrinsic defect, and usmg fracture mechanics, finite element simulations under biaxial loading allow to build a yield curve in the principal stretches coordmates and in the case of plane stress. The predieted values are in quite good agreement with experimental data for two different materials (NR and SBR). Finally, attempts to generalize this approaeh for cases where cavitation is the main mechanism of degradation is highlighte