Compréhension des mécanismes physiques de fatigue dans le polyamide vierge et renforcé de fibres de verre

Les polyamides renforcés de fibres de verre sont utilisés dans l automobile pour leur légèreté vis-à-vis du métal à rigidités équivalentes. Pour évaluer leur durabilité à différentes températures nous avons construit des courbes de Wöhler. Nous proposons un critère d endommagement basé sur la déformation élastique et proposons ainsi de normaliser les courbes de Wöhler par le module initial du matériau à sa température de fonctionnement. La courbe maîtresse obtenue permet de prédire la durabilité en fatigue du matériau pour une large gamme de contraintes et températures. Nous proposons un scénario d endommagement en fatigue en trois étapes. Pendant une brève étape le matériau s échauffe et l endommagement est négligeable. La seconde étape est caractérisée par une température du matériau constante et une évolution linéaire de la raideur apparente (appelée module dynamique en fatigue) et de la déformation en fonction du logarithme du nombre de cycles. Au cours de la troisième étape la rigidité chute brutalement jusqu à rupture. Nous montrons que la durée de vie est contrôlée par la durée de la seconde étape au cours de laquelle le module du matériau décroît linéairement avec le logarithme du temps.Nous avons réalisé des caractérisations par microscopie électronique et par diffusion des rayons X et diffusion de neutrons pour étudier l endommagement depuis l échelle nanométrique jusqu à l échelle micronique de la microstructure semicristalline du polyamide renforcé de fibres de verre et de la matrice polyamide en tant que référence. Ces caractérisations nous permettent d expliciter les mécanismes liés à la seconde étape d endommagement. Nous mettons en évidence la nucléation de domaines de faible densité dans la matrice polyamide à une échelle nanométrique, et l augmentation du nombre et de la taille de ces domaines jusqu à la formation de craquelures. La distribution de taille, la densité et le facteur de forme de ces cavités ont été quantifiés. Nous proposons enfin un modèle physique de nucléation des cavités basé sur l existence d une distribution d intensités des déformations locales. L énergie d activation du processus de nucléation des cavités a été déterminée. Ce modèle permet d expliquer l évolution logarithmique des propriétés macroscopiques du polyamide vierge et renforcé au cours de la fatigue. Les résultats de cette thèse ouvrent la voie vers une meilleure prédiction de la durée de vie en fatigue d une part, et vers une augmentation de la durée de vie du matériau grâce à des formulations innovantes de la matrice d autre part.Glass fiber reinforced polyamides are used in the automotive field thanks to their ligth weight in comparison to metals for the same rigidity. In order to study its durability, this material was tested in fatigue at different temperatures and stress vs fatigue lifetime curves (also called Wöhler curves) were drawn. We proposed a damage criterion based on the strain and therefore we normalized the Wöhler curves by the initial elastic modulus at the functionning temperature of the material. The master curve obtained enabled to predict the fatigue lifetime for a wide range of stresses and temperatures. Our study show that fatigue damage evolves in 3 phases. During the first step the material s temperature increases and the damage is negligible. The second step is characterized by a stable temperature and a linear evolution of the apparent stiffness (called dynamic modulus in fatigue) and of the strain with the logarithm of the number of cycles. The sharp drop of stiffness during the third step is followed by the breaking of the composite. We show that lifetime is controlled by the duration of the second phase where t the material s modulus decreases linearly with the logarithm of the time. Characterizations by X ray scattering, neutron scattering and electronic microscopy enabled us to study the fatigue damage from the nanometric scale to the micronic scale of the semi-crystalline structure of the reinforced polyamide and of the neat polyamide as a reference. The damage during the second step can be explained. We show that the drop of properties is due to low density domains nucleation in polymeric matrix at the nanometric scale, and to the increase of the number and of the size of these domains until the micronic scale. The size distribution, density and form factor of the domains have been quantified. We proposed a physical model for the nucleation of the domains based on the concept of heterogeneities of local strains. The activation energy has been estimated. This model is able to account for the logarithmic evolution of the macroscopic properties of reinforced and neat polyamide in fatigue. The results of this thesis opens the way to a better lifetime prediction in fatigue in one hand, and to an increase of the lifetime thanks to innovative formulations of polymer matrix in another hand.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF