Study of mechanical and damage behavior of smc composite materials subjected to dynamic, fatigue and post-fatigue dynamic loadings

Le dimensionnement au crash des structures automobiles en matériaux composites à renforts discontinus tels que les SMC est généralement réalisé sur la base de données expérimentales recueillies sur des matériaux vierges n’ayant subi aucun chargement depuis leur mise en œuvre. Or, les accidents proviennent après quelques années de mise en service durant lesquelles la structure composite est soumise généralement à des sollicitations de type fatigue à plus ou moins grande amplitude. La prise en compte d’un pré-endommagement éventuel en fatigue devient alors essentielle si l’on veut rester réaliste. Par ailleurs, de nouvelles formulations de matériaux composites SMC ont été récemment développées. Leur comportement en fatigue et sous sollicitation rapide étaient jusqu’à lors inexplorés. Cette étude à caractère fortement expérimentale a donc pour but d’apporter la connaissance nécessaire au dimensionnement de structures en matériaux SMC de diverses formulations, notamment le A-SMC et le LD-SMC. Le premier correspond à une matrice vinylester fortement renforcée de mèches de fibres de verre (50%). Le second correspond à une formulation proche de celle d’un SMC standard dans laquelle on a rajouté un fort taux de billes de verre creuse afin de réduire la densité. Une analyse multi-échelle permet de mettre en évidence l’influence de la microstructure sur les phénomènes d’endommagement sous sollicitation quasi-statique, dynamique et fatigue. Des méthodes originales d’analyse expérimentale sont développées afin de corréler ces mécanismes aux comportements macroscopiques observés. Les essais dynamiques rapides optimisés sont réalisés jusqu’à des vitesses de déformation de l’ordre de 80 s-1 et mettent en évidence un comportement visco-endommageable pour les deux matériaux SMC étudiés. Le décalage du seuil d’endommagement et la baisse de la cinétique d’endommagement observés à l’échelle macroscopique sont directement corrélés au seuil et cinétique des mécanismes d’endommagement observés à l’échelle locale telles que la rupture à l’interface fibre-matrice ou bille-matrice, la microfissuration de la matrice et le pseudo-délaminage entre les mèches de fibres de verre. Par ailleurs, une analyse multi-échelle du même type est également réalisée sous sollicitation de type fatigue dans laquelle les fréquences varient de 10 à 100 Hz. Une étude de l’influence des phénomènes d’auto-échauffement sur l’endommagement et le comportement du A-SMC est proposée. Enfin, une analyse originale des propriétés résiduelles sous sollicitation rapide d’échantillons préalablement fatigués à différents niveaux de fraction de durée de vie met en évidence une forte influence de l’histoire du chargement sur la sensibilité du A-SMC à la vitesse de sollicitation. L’ensemble des résultats de cette étude, de par son apport de compréhension des phénomènes mis en jeu, constitue la base expérimentale nécessaire à la construction d’outils de dimensionnement adaptés aux structures SMC sous sollicitations cycliques et dynamiques.Classically, crash design of automotive composite structures made of discontinuous reinforcements such as SMC is usually based on experimental data obtained from virgin materials without any history of loading. However, crash events always occur after a few years of use during which composite structure is generally subjected to more or less important fatigue loading. Taking into account of a potential pre-damage in fatigue becomes essential if we want to stay realistic. Moreover, new formulations of SMC composites have been developed recently. Up to now, their fatigue and dynamic behavior were never being explored. This study, of a mostly experimental nature, aims to provide the knowledge necessary for design of structures made of various SMC formulations including A-SMC and LD-SMC. The first one is a vinylester matrix reinforced with a high content of glass fibers (50%). The second corresponds to a standard SMC formulation in which we added a high content of hollow glass micro-sphere in order to reduce density. A systematic multi-scale analysis allows to highlight the influence of the microstructure on damage phenomena under quasi-static, dynamic and fatigue loading. Original experimental methods are developed to correlate these mechanisms to the observed macroscopic behavior. Optimized dynamic tests are performed at strain rate up to 80 s-1 and highlight a visco-damageable behavior for the two SMC materials in study. Damage threshold delay and reduction of damage kinetics observed at the macroscopic scale are directly correlated to the threshold and kinetic of damage development observed at the local scale such as fiber-matrix or matrix-microsphere interfaces, matrix micro-cracking and pseudo-delamination between the bundles of glass fiber. Moreover, a similar multi-scale analysis is also performed under fatigue loading in which the frequency ranges from 10 to 100 Hz. A study of the influence of the self-heating phenomenon on the fatigue damage behavior of A-SMC is proposed. Finally, an original analysis of the remaining dynamic properties of samples which were previously submitted to fatigue loading until different levels of lifetime highlights a strong influence of the history of the loading on the strain rate sensitivity of the A-SMC. Considering the high contribution of this study in term of comprehension of the phenomena involved in the mechanical response of SMC materials, all of the experimental findings of this study provide the physical background crucial to build structural design tools for SMC subjected to cyclic and dynamic loading