Understanding and modeling early fatigue crack initiation mechanisms on carbon black filled natural rubber

Les propriétés en fatigue d’élastomères renforcés au noir de carbone sont fortement conditionnées par leurs populations d’inclusions, qui sont générées par une formulation complexe et les étapes successives du procédé de fabrication (mélangeage, injection et réticulation). L’optimisation de ces propriétés implique d’abord être capable de décrire les caractéristiques statistiques de ces populations d’inclusions en termes de nature, taille, géométrie, orientation et dispersion spatiale. Ensuite, une compréhension fine des mécanismes de ruine est requise afin de définir la criticité des inclusions en terme de tenue mécanique en fonction de leurs caractéristiques, en particulier sous chargement cyclique. Cette étude présente d’abord les outils développés, qui reposent sur une analyse fine de données de micro-tomographies aux rayons X. Les résultats obtenus sur les populations d’inclusions et l’endommagement induit par ces dernières permettent de dégager le potentiel de ces outils et leurs limites actuelles, pour les matériaux considérés. L’existence d’inclusions atypiques, qui n’avaient jusque-là jamais été recensées dans la littérature, a ainsi pu être découverte. Le mécanisme de cavitation apparaît être le plus critique vis-à-vis de la fatigue puisqu’il semble mener à des micro-fissures se propageant dans la matrice. Une comparaison de la criticité des paramètres des inclusions vis-à-vis d’un critère en cavitation est réalisée graçe à une analyse paramétrique par éléments finis. Enfin, des mesures thermographiques à l’échelle des inclusions illustrent les investiguations complémentaires nécessaires à une meilleure compréhension des mécanismes d’endommagement à cette échelle.The fatigue properties of carbon black filled elastomers are strongly related to the inclusions’ population, induced by complex recipes and the successive stages of the manufacturing process (mixing, injection and curing). The improvement of these properties involves at first an ability to describe the statistical features of these inclusions’ population in terms of nature, size, geometry, orientation and spatial distribution. Then, a detailed understanding of the damage mechanisms is required in order to define the mechanical criticality of inclusions according to their characteristics under cyclic loading. This study presents at first the tools developed, based on a detailed analysis of X-ray micro-tomography data. The obtained results on the inclusion’s populations and the damage induced allow highlighting the potential of these tools and their current limits for the studied materials. Atypical inclusions, unknown in the litterature, has been discovered. The cavitation mechanism appears to be the most critical regarding fatigue because it leads to micro-cracks that propagate in the matrix. A comparison of the criticality of the inclusions’ parameters regarding a cavitation criterion is carried out with a parametric study using finite elements simulations. Finally, thermographic measurements at the inclusions’s scale show the additional investiguations needed for a better understanding of the damage mechanisms at this scale