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UNIVERSITE KASDI MARBAH OUARGLA
Faculté des Sciences et Technologie et Sciences de la matière
Département Génie Mécanique
Mémoire
MASTER PROFESSIONNEL
Domaine : Sciences et Techniques
Filière : Génie Mécanique
Spécialité : Maintenance industrielle
Présenté Par :
SANDALI ABDELDJALIL RABHI NABIL
Thème
Soutenu publiquement
Le : 26/06/2013
Devant le jury :
M. REZGUI Imane Président UKM Ouargla
M. MEBARKI Examinateur UKM Ouargla
Dr. BOUAKBA Mustapha Encadreur UKM Ouargla
M . BOUKHATEM mourad C.Encadreur UKM Ouargla
Année Universitaire : 2012 /2013
Comportement au choc des stratifiées composites renforcées par des fibres
naturelles(fibre de cactus).
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Tous d’abord, nous tiens à remercier Dieu clément et miséricordieux de notre avoir donné la force et le courage de mener à terme ce modeste travail. Comme, c’est un plaisir de remercier tous ce qui ont contribué à la réalisation de ce mémoire : En premier lieu, nous voudrons exprimer notre remerciements les plus sincères à notre promoteur le professeur Mustapha Bouakba, pour notre avoir guidé pour la réalisation de cette étude et le soutient scientifique et moral Nos vifs remerciements iront aux membres de jury qui nous ferons l’honneur de juger notre travail. Nous voudrons aussi remercier Mr Boukhatem, pour leurs encouragements durant leurs passages au laboratoire. Nous tenons également à remercie toutes les personnes qui ont participées de prés ou de loin à la réalisation de ce projet.
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Ce modeste travail est dédié à:
A mes très chers parents (Mon Père Bachir, Ma Mère Sandali D) qui m’ont guidé durant les moments les plus pénibles de ce long chemin, mes chers parents qui ont sacrifié toute leur vie afin de me voir devenir ce que je suis, - A mes amis (Khalil S, Farouk B et Lahsan S…). - A mon professeur Mustapha Bouakba, qui a su exaucé mon Vœux le plus cher, je vous remercie du fond du cœur. Et bien sur sans oublier toutes les personnes (Frères & Sœurs) qui m’ont soutenu durant mon cursus de formation, de l’école primaire à l’université. < Sandali AbdEldjalil >
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Ce modeste travail est dédié à:
A mes très chers parents (Mon Père Sayah, Ma Mère Aicha G) qui m’ont guidé durant les moments les plus pénibles de ce long chemin, mes chers parents qui ont sacrifié toute leur vie afin de me voir devenir ce que je suis, - A mes amis (Farouk B, Djabou , Ahmed R et Farid S…). - A mon professeur Mustapha Bouakba, qui a su exaucé mon Vœux le plus cher, je vous remercie du fond du cœur. Et bien sur sans oublier toutes les personnes (Frères & Sœurs) qui m’ont soutenu durant mon cursus de formation, de l’école primaire à l’université.
< Rabhi Nabil >
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Table des matières et liste
des figures et liste des
tableaux et la nomenclature
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table des matières
V
Introduction générale……………………….…………………………………. 01
Chapitre I : les matériaux composites
I.1. Introduction………………………………………………………..…………. 04
I.2. Historique………………………………………………………...………...… 04
I.3. Caractéristiques générales……………………………………………...…..…. 04
I.4. Classification des matériaux composites……………………………….....…… 06
I.4.1. Classification suivant la forme des constituants………………………....… 06
I.4.1.1. Composites à fibres……………………………………………..….... 07
I.4.1.2. Composites à particules……………………………………………… 07
I.4.2. Classification suivant la nature des constituants………………………....… 08
I.4.2.1. Composites à matrice organique (CMO).……………………….…..... 08
I.4.2.2. Composites à matrice métallique (CMM)………………………...…... 08
I.4.2.3. Composites à matrice minérale(CMC).………………………..…...… 08
I.5. Pourquoi des matériaux composites ?…………………………………..……… 08
I.5.1. Caractéristiques mécaniques spécifiques…………………………..…..…. 09
I.5.2. Caractéristiques mécaniques des matériaux…………………………..…… 11
I.5.3. Les matériaux composites……………………………………….…..…… 12
I.6. Avantages des matériaux composites…………………………………...……… 13
I.7. Inconvénients des matériaux composites……………………………..…...…… 13
I.8. Matrices……………………………………………………………..……..… 14
I.8.1. Résines thermodurcissables………………………………………….....… 14
I.8.2. Résines thermoplastiques…………………………………………..…..… 14
I.8.3. Additifs…………………………………………………………...…..…. 14
I.9. Renforts.……………………………………………………………..………. 15
I.9.1. Fibres de verre………………………………………………...…………. 15
I.9.2. Fibres de carbone…………………………………………...……………. 15
I.9.3. Fibres aramides …………………………………………...…………...… 16
I.10. Les fibres………………………………...…………………..……………… 16
I.10.1. Introduction…………………………...………………...…………….... 16
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table des matières
VI
I.10.2. Les fibres naturelles……………………..…………………………...…. 16
I.10.2.1. Fibres végétales……………………..………………………...…… 17
I.10.2.2. Fibres animales………………………...…………………...……… 17
I.10.3. Fibre de Cactus……………………………...………………………..… 17
I.11. Conclusion……………………………………………………………...…… 19
Chapitre II : Essai de choc
II.1. Introduction………………..…………………………………………..…..… 21
II.2. Principe de l'essai……………………………………………………..…...… 21
II.2.1. Définition du principe de l'essai…………….…………………...……..… 22
II.3. Les éprouvettes pour la résilience…………………………………..………… 22
II.3.1. Eprouvettes CHARPY U………………...….………………..………..… 22
II.3.1.1. Eprouvette Mesnager…………………………………...……….….. 22
II.3.1.2. Eprouvette DVM……………………………………...………….… 22
II.3.2. Eprouvettes CHARPY V………………………………...…………….… 23
II.4. Photo d'un mouton pendule Charpy………….……………...………………… 23
II.5. Chématisation de l’essai de résilience……………………..………………..… 24
II.6. Calcul de la résistance Kcv……………………………..…………………….. 24
II.7. Différents types d'éprouvettes CHARPY V……………..…………………..… 24
II.8. Pendule d'impact, 25 Nm……………………………...…………………….... 25
II.8.1. Description…………………………………...…………………….…… 25
II.8.2. Essais……………………………………………………………….…... 26
II.8.3. Conception de l’appareil…………………………………………..…..… 26
II.8.4. Spécification………………………………………………………...….. 27
II.8.5. Caractéristiques techniques………………………………………..…….. 27
II.8.6. Dimensions et poids……………………………………………...…….... 27
Chapitre III : partie expérimentale
III.1. Introduction………………………………………………………..……….. 29
III.2. Elaboration du composite cactus/polyester………………………...………… 29
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table des matières
VII
III.3. Techniques expérimentales……………………………………..………..…. 30
III.4. Importance et utilisation……………………………………...…………...…. 31
III.5. Résultats et discussion……………………………………..……..………… 32
III.5.1. l'énergie totale de correction de l'énergie de rupture , Es, d'un
échantillon……………………………………………………………………...…
33
III.5.2. La résistance au choc…………………………..…...………………….. 33
III.5.3. Les mécanisme de rupture des éprouvettes……...…...…………..…..… 34
III.5.4. Comportements mécaniques des stratifiés composites (cactus/polyester)
sollicité en flexion 3 points statique………………………………………..……....
34
III.6. Conclusion…………………………………………..…………………...…. 36
Conclusion générale…………………………………………………………… 37
Référence bibliographiques….………………………………………….…… 39
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Liste des Figures
VIII
Chapitre I : les matériaux composites
Figure I.1. Matériau composite……………………………………………….. 04
Figure I.2. Poutre chargée en traction………………………………………… 09
Figure I.3. Poutre chargée en flexion trois points ……………………………... 11
Figure I.4. La classification des types de matrices…………………………….. 14
Figure I.5. La classification des types de renforts……………………………... 15
Figure I.6. les cactus ………………………………………………………… 17
Figure I.7. tronc de cactus après 15 jours de l’enfouissement………………….. 18
Figure I.8. comportement mécanique en traction des fibres de cactus………...... 18
Figure I.9. (a) cliché du MEB pour la fibre de cactus ; (b) nanotube de
carbone………………………………………………………...…
19
Chapitre II : Essai de choc
Figure II.1. Eprouvettes CHARPY U………………………….………………. 22
Figure II.2. Eprouvette Mesnager …………………………………………..… 22
Figure II.3. Eprouvette DVM……………………………………………….… 22
Figure II.4. Eprouvettes CHARPY V………………………………………….. 23
Figure II.5. Photo d'un mouton pendule Charpy……………………………...… 23
Figure II.6. Chématisation de l’essai de résilience……………………………... 24
Figure II.7. Pendule d'impact, 25 Nm……………………..…………………… 25
Figure II.8. Conception de l’appareil……………...…………………………… 26
Chapitre III : partie expérimentale
Figure III.1. a) dispositif de fabrication b) plaques composites fabriquées…….… 30
Figure III.2. Machine de Charpy……………………………………………..… 30
Figure III.3. Eprouvette d’essai selon la norme ASTM D 6110-02…………….… 31
Figure III.4. Courbe type Charge-Flèche d’un composite cactus/polyester, sollicité
en flexion 3 points……………………………………………...…
34
Figure III.5. Eprouvettes testées au choc………………………………...……... 35
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Liste des tableaux
IX
Chapitre I : les matériaux composites
Tableau I.1. Exemples de matériaux composites, pris au sens large……………. 05
Tableau I.2. Caractéristiques spécifiques des matériaux usuels, élaborés sous
forme massive…………………………………………….……..
12
Tableau I.3. Caractéristiques mécaniques spécifiques des matériaux, élaborés
sous forme de fibres………………………………………..…….
13
Tableau I.4. propriétés mécaniques de la fibre du cactus……………….……… 18
Chapitre III : partie expérimentale
Tableau III.1. dimension des éprouvettes d’essai selon la norme ASTM D 6110 –
02……………………………………………………………….
31
Tableau III.2. Energie absorbée pour un composite à renfort naturelle (fibre de
cactus/polyester)………………..………………………………..
32
Tableau III.3. La résistance au choc pour un composite à renfort naturelle (fibre
de cactus/polyester)……………..……………………………….
34
Tableau III.4. Propriétés mécaniques en flexion trois points d’un composite
cactus/polyester………………………………………………….
36
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nomenclature
X
Le symbole Le nom L’unité
F la charge N
E le module d'Young du matériau GPa
S la section de la poutre m²
l la longueur m
∆l l'allongement m
K La rigidité GPa.m
m la masse Kg
휌 Masse Volumique kg/m3
f la flèche de la poutre mm
I le moment d'inertie N.m
r le rayon mm
휎u Contrainte à la rupture MPa
E/ 휌 Module spécifique MN m/kg
휎u /휌 Contrainte Spécifique kN m/kg
g Accélération terrestre m s-2
h Hauteur du mouton-pendule à sa position de départ m
h’ Hauteur du mouton-pendule à sa position d’arrivée m
K La résilience Joules/cm²
W l’énergie Joules
S Surface de rupture cm²
Kcv l’essai de résilience en V Joules/cm²
Kcu l’essai de résilience en U Joules/cm²
s écart-type estimé
X valeur de l’observation unique N.m
n nombre d’observations
X arithmétique de l’ensemble des observations N.m
EA correction énergie en dérive du pendule en plus friction
dans le cadran
J
EB correction d’énergie pour la prise au vent du pendule J
Bmax pendule angle maximal voyager avec un oscillation du
pendule
dégrées
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nomenclature
XI
B angle pendule se déplace pour un échantillon donné dégrées
ETC l'énergie totale de correction de l'énergie de rupture, Es,
d'un échantillon
J
Is une résistance au choc de l'éprouvette J/m
ES lecture du cadran énergie de rupture pour un spécimen J
t largeur de l'éprouvette ou de la largeur de l'encoche m (cm)
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Introduction Générale
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Introduction générale
2
Introduction générale Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés, notamment dans le domaine
industrielles (automobile, transports, bâtiment et travaux publics, ferroviaires, maritimes,
aériens et spatiaux……) où ils offrent de nombreux avantages. L’avantage principal
qu’offrent ces matériaux pour l’industrie est leur faible poids pour d’excellentes qualités
mécaniques.
Un matériau composite peut être défini d'une manière générale comme l'assemblage de
deux ou plusieurs matériaux de natures différentes, Le matériau composite est constitué d’un
renfort, qui contribue aux propriétés mécaniques du matériau composite et un grand nombre
de fibres, et d’un liant, appelé matrice. Le rôle de la matrice est d’assurer la cohésion entre les
éléments du renfort.
Dans cette étude, nous avons élaboré un nouveau matériau composite Polyester/ fibres du
cactus. Et en suite nous avons effectué des essais de Charpy pour identifie le comportement mécanique
de cet matériau au choc.
Ce mémoire est composé de trois chapitres :
Le premier chapitre est consacré, à l’étude bibliographique sur la les matériaux
composites (définition, caractéristiques générales, classification, avantages et
inconvénients..). Le deuxième chapitre est représente l’essai de Charpy (essai de choc),
principe de l'essai et les types des éprouvettes utilisées pour cet test. Dans le troisième
chapitre nous avons exposé le travail et les résultats expérimentaux obtenus par l’essai de
résilience.
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Chapitre I :
les matériaux composites
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Chapitre I les matériaux composites
4
I.1. Introduction : Un matériau composite est constitué de l'assemblage de deux matériaux de natures
différentes, se complétant et permettant d'aboutir à un matériau dont les performances sont
supérieures à celles des composants pris séparément. Un matériau composite est constitué dans
le cas le plus général d'une ou plusieurs phases discontinues réparties dans une phase continue.
La phase discontinue, appelée renfort ou matériau renforçant, est habituellement plus dure
avec des propriétés mécaniques supérieures à celles de la phase continue, appelée matrice.
Ce phénomène, qui permet d'améliorer la qualité de la matière face à une certaine
utilisation (légèreté, rigidité à un effort…), explique l'utilisation croissante des matériaux
composites dans différents secteurs industriels. Néanmoins, la description fine des composites
restes complexe du point de vue mécanique.
Figure I.1 : Matériau composite
I.2. Historique :
Le bois fut le premier matériau composite naturel utilisé, ensuite le torchis a été utilisé
en construction pour ses propriétés d'isolation et de coût. Parmi les premiers composites
fabriqués par l'Homme, on trouve également les arcs Mongols (2 000 ans av. J.-C.). Leur âme
en bois était contrecollée de tendon au dos et de corne sur sa face interne.
1823 : Charles Macintosh créé l'imperméable avec du caoutchouc sur des tissus comme
le coton.
1892 : François Hennebique dépose le brevet du béton armé (le composite utilisé en
construction) avec le béton qui forme la matrice et l'acier qui forme le renfort.
I.3. Caractéristiques générales : Un matériau composite consiste dans le cas le plus général d'une ou plusieurs phases
discontinues réparties dans une phase continue. Dans le cas de plusieurs phases discontinues
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Chapitre I les matériaux composites
5
de natures différentes, le composite est dit hybride. La phase discontinue est habituellement
plus dure avec des propriétés mécaniques supérieures à celles de la phase continue. La phase
continue est appelée la matrice. La phase discontinue est appelée le renfort ou matériau
renforçant (figure I.1). Une exception importante à la description précédente est le cas de
polymères modifiés par des élastomères, pour lesquels une matrice polymère rigide est
chargée avec des particules élastomères. Pour ce type de matériau, les caractéristiques
statiques du polymère (module d'Young, contrainte à la rupture, etc.) ne sont pratiquement pas
modifiées par l'adjonction de particules élastomères, alors que les caractéristiques au choc sont
améliorées.
Les propriétés des matériaux composites résultent :
— des propriétés des matériaux constituants,
— de leur distribution géométrique,
— de leurs interactions, etc.
Tableau I.1: Exemples des matériaux composites, pris au sens large.
Type de composite Constituants Domaines d'application
1. Composites à matrice
organique
Papier, carton
Panneaux de particules
Panneaux de fibres
Toiles enduites
Matériaux d'étanchéité
Pneumatiques
Stratifiés
Plastiques renforcés
Résine/charges/fibres cellulosiques
Résine/copeaux de bois
Résine/fibres de bois
Résines souples/tissus
Elastomères/bitume/textiles
Caoutchouc/toile/acier
Résine/charges/fibres de verre, de
carbone, etc.
Résines/microsphères
Imprimerie, emballage, etc.
Menuiserie
Bâtiment
Sports, bâtiment
Toiture, terrasse, etc.
Automobile
Domaines multiples
2. Composites à matrice
Minérale
Béton
Composite carbone-
Carbone
Composite céramique
Ciment/sable/granulats
Carbone/fibres de carbone
Céramique/fibres céramiques
Génie civil
Aviation, espace, sports,
biomédecines, etc.
Pièces thermomécaniques
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Chapitre I les matériaux composites
6
3. Composites à matrice
Métallique
Aluminium/fibres de bore
Aluminium/fibres de carbone
Espace
4. Sandwiches
Peaux
Ames
Métaux, stratifiés, etc.
Mousses, nids d'abeilles, balsa,
plastiques renforcés, etc.
Domaines multiples
Ainsi, pour accéder à la description d'un matériau composite, il sera nécessaire de
spécifier :
— la nature des constituants et leurs propriétés,
— la géométrie du renfort, sa distribution,
— la nature de l'interface matrice-renfort.
La géométrie du renfort sera caractérisée par : sa forme, sa taille, la concentration du
renfort, sa disposition (son orientation), etc. Si l'ensemble de ces paramètres concourt à
déterminer les propriétés du composite, les modélisations descriptives ne tiendront compte que
de certains paramètres, du fait de la complexité des phénomènes mis en jeu. Par exemple, la
forme du renfort sera schématiquement approchée soit par des sphères, soit par des cylindres.
Pour une concentration donnée, la distribution du renfort dans le volume du composite
est également un paramètre important. Une distribution uniforme assurera une “homogénéité”
du matériau : les propriétés du composite seront indépendantes du point de mesure. Dans le
cas d'une distribution non uniforme du renfort, la rupture du matériau sera initiée dans les
zones pauvres en renfort, diminuant ainsi la résistance du composite.
Dans le cas de matériaux composites dont le renfort est constitué de fibres, l'orientation
des fibres détermine l'anisotropie du matériau composite. Cet aspect constitue une des
caractéristiques fondamentales des composites : la possibilité de contrôler l'anisotropie du
produit fini par une conception et une fabrication adaptées aux propriétés souhaitées.
I.4. Classification des matériaux composites : Les composites peuvent être classés suivant la forme des composants ou suivant la
nature des composants.
I.4.1. Classification suivant la forme des constituants :
En fonction de la forme des constituants, les composites sont classés en deux grandes
classes : les matériaux composites à particules et les matériaux composites à fibres.
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Chapitre I les matériaux composites
7
I.4.1.1. Composites à fibres :
Un matériau composite est un composite à fibres si le renfort se trouve sous forme de
fibres. Les fibres utilisées se présentent soit sous forme de fibres continues, soit sous forme de
fibres discontinues : fibres coupées, fibres courtes, etc. L'arrangement des fibres, leur
orientation permettent de moduler à la carte les propriétés mécaniques des matériaux
composites, pour obtenir des matériaux allant de matériaux fortement anisotropes à des
matériaux isotropes dans un plan. Le concepteur possède donc là un type de matériau dont il
peut modifier et moduler à volonté les comportements mécanique et physique en jouant sur :
— la nature des constituants,
— la proportion des constituants,
— l'orientation des fibres,
suivant le cahier des charges imposées.
L'importance des matériaux composites à fibres justifie une étude exhaustive de leurs
comportements mécaniques. En conséquence, le présent ouvrage sera essentiellement consacré
par la suite à l'étude de ce type de matériaux.
I.4.1.2. Composites à particules :
Un matériau composite est un composite à particules lorsque le renfort se trouve sous
forme de particules. Une particule, par opposition aux fibres, ne possède pas de dimension
privilégiée.
Les particules sont généralement utilisées pour améliorer certaines propriétés des
matériaux ou des matrices, comme la rigidité, la tenue à la température, la résistance à
l'abrasion, la diminution du retrait, etc. Dans de nombreux cas, les particules sont simplement
utilisées comme charges pour réduire le coût du matériau, sans en diminuer les
caractéristiques.
Le choix de l'association matrice-particules dépend des propriétés souhaitées. Par
exemple, des inclusions de plomb dans des alliages de cuivre augmenteront leur facilité
d'usinage. Des particules de métaux fragiles tels le tungstène, le chrome et le molybdène,
incorporées dans des métaux ductiles, augmenteront leurs propriétés à températures élevées,
tout en conservant le caractère ductile à température ambiante.
Les cermets sont également des exemples de composites métal-céramique à particules,
adaptés à des utilisations à températures élevées. Par exemple, les cermets à base d'oxydes
sont utilisés pour les outils de coupe à vitesse élevée, et pour les protections à hautes
températures.
Également, des particules d'élastomère peuvent être incorporées dans des matrices
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Chapitre I les matériaux composites
8
polymères fragiles, de manière à améliorer leurs propriétés à la rupture et au choc, par
diminution de la sensibilité à la fissuration.
Ainsi, les composites à particules recouvrent un domaine étendu dont le développement
s'accroît sans cesse. Toutefois, compte tenu de leurs diversités, ce type de matériaux ne sera
pas étudié dans le cadre de cet ouvrage.
I.4.2. Classification suivant la nature des constituants :
Selon la nature de la matrice, les matériaux composites sont classés suivant des
composites à matrice organique, à matrice métallique ou à matrice minérale. Divers renforts
sont associés à ces matrices. Seuls certains couples d'associations ont actuellement un usage
industriel, d'autres faisant l'objet d'un développement dans les laboratoires de recherche. Parmi
ces composites, nous pouvons citer :
I.4.2.1. Composites à matrice organique (CMO) (résine, charges), avec :
— des fibres minérales : verre, carbone, etc.
— des fibres organiques : Kevlar, polyamides, etc.
— des fibres métalliques : bore, aluminium, etc.
I.4.2.2. Composites à matrice métallique (CMM) (alliages légers et ultralégers d'aluminium,
de magnésium, de titane), avec :
— des fibres minérales : carbone, carbure de silicium (SiC),
— des fibres métalliques : bore,
— des fibres métallo-minérales : fibres de bore revêtues de carbure de silicium
(BorSiC).
I.4.2.3. Composites à matrice minérale(CMC) (céramique), avec :
— des fibres métalliques : bore,
— des particules métalliques : cermets,
— des particules minérales : carbures, nitrures, etc.
Les matériaux composites à matrice organique ne peuvent être utilisés que dans le
domaine des températures ne dépassant pas 200 à 300 °C, alors que les matériaux composites
à matrices métallique ou minérale sont utilisés au-delà : jusqu'à 600 °C pour une matrice
métallique, jusqu'à 1000 °C pour une matrice céramique.
I.5. Pourquoi des matériaux composites ? Nous avons indiqué l'aptitude des matériaux composites à être conçus à la carte. D'autres
raisons justifient leur développement, et nous en donnons ici quelques éléments.
Page 21
Chapitre I les matériaux composites
9
I.5.1. Caractéristiques mécaniques spécifiques :
Considérons une poutre chargée en traction par une charge F (figure I.2). La relation
entre la charge et l'allongement ∆l de la poutre est :
F= ∆l (I.1)
où E est le module d'Young du matériau, S la section de la poutre et l sa longueur. La
rigidité K = ES/l caractérise les performances mécaniques de la poutre dans le domaine
élastique.
Figure I.2 : Poutre chargée en traction.
Dans le cas de deux matériaux 1 et 2, le rapport des rigidités est :
= (I.2)
et le rapport des masses des deux poutres s'écrit :
= (I.3)
en introduisant les masses volumiques des matériaux. La combinaison des relations (I.2)
et (I.3) conduit à :
= ⁄⁄ (I.4)
Page 22
Chapitre I les matériaux composites
10
Dans une structure, l'encombrement des éléments est donné, et la comparaison des
rigidités doit se faire à longueurs identiques. Soit, pour l1 = l2 :
= ⁄⁄ (I.5)
Enfin, l'utilisation des matériaux dans le domaine de l'espace et de l'aviation, et au-delà
dans les domaines du sport, du bâtiment, etc. A conduit à opérer une comparaison des
performances mécaniques des structures à masses égales. Pour m1 = m2, le rapport des
rigidités s'écrit :
= ⁄⁄ (I.6)
Ainsi, il apparaît que le meilleur matériau est celui qui possède la valeur de 푬 흆⁄ la plus
élevée, conduisant à la valeur de la rigidité la plus élevée de la poutre. Le terme 푬 흆⁄ est
appelé le module spécifique d’Young du matériau.
Un calcul semblable peut être mené dans le cas d’une poutre en flexion trois points
soumise à une charge F (figure I.3). La relation charge-flèche s’écrit :
F = 48 f =Kf (I.7)
où f est la flèche de la poutre, I le moment d'inertie de sa section droite et l la distance
entre appuis. Le coefficient K est la rigidité de la poutre sollicitée en flexion. Dans le cas d'une
poutre cylindrique de rayon r,
le moment est donné par : I = 푟 (I.8)
la masse s'écrit : m = 휌휋푟 푙 (I.9)
Il en résulte que, dans le cas de deux matériaux 1 et 2, le rapport des rigidités s'écrit :
= ⁄⁄ (I.10)
Il apparaît donc ici que le meilleur matériau est celui qui possède la valeur 푬 흆ퟐ⁄ la plus
élevée.
Page 23
Chapitre I les matériaux composites
11
Des raisonnements analogues peuvent être repris pour diverses formes de structures :
plaques, coques, structures complexes. La conclusion est toujours de même nature : à masse et
encombrement identiques, les constructions les plus rigides sont celles qui possèdent la masse
volumique la plus faible. De même, la comparaison des résistances à la rupture conduit à des
conclusions semblables sur les contraintes à la rupture. Ainsi, il est devenu usuel de comparer
les performances mécaniques des matériaux en considérant les valeurs spécifiques (rapportées
à la masse volumique) du module et de la contrainte à la rupture.
I.5.2. Caractéristiques mécaniques des matériaux :
Partant des considérations précédentes, il reste à rechercher les matériaux les plus
performants: module élevé, masse volumique faible. Il est évident également que l'élaboration
de ces matériaux ne doit pas aboutir à un coût prohibitif, qui dépend d'ailleurs du domaine
d'utilisation. Par exemple, dans le domaine de l'espace, de l'aviation, de hautes performances
sont recherchées, et le coût matériau a une incidence faible. Par contre, dans le domaine de
l'automobile,
Figure I.3 : Poutre chargée en flexion trois points.
l'amélioration des performances ne peut pas se faire au détriment du coût du produit fini.
L'incidence du coût matériau est élevée.
Le tableau I.2 donne les performances spécifiques de matériaux usuels élaborés sous
forme massive. Les matériaux traditionnels tels l'acier, les alliages d'aluminium, le bois, le
verre ont des modules spécifiques comparables. Par contre, on constate que la contrainte
spécifique du verre est nettement supérieure à celle de l'acier et des alliages d'aluminium.
D'autre part, il est un fait établi que les contraintes à la rupture mesurées sur les matériaux sont
bien plus faibles que les contraintes théoriques. Cette différence est attribuée à la présence de
défauts ou de microfissures dans les matériaux. Pour augmenter les valeurs des contraintes à la
rupture, il est alors nécessaire de rechercher des processus d'élaboration qui conduisent à une
diminution des défauts. Cet objectif est atteint en élaborant les matériaux sous forme de fibres
de très faibles diamètres de quelques dizaines de micromètres. Il est évident qu'il est
nécessaire de partir de matériaux qui ont déjà des caractéristiques spécifiques élevées,
lorsqu'ils sont élaborés sous forme massive. Les caractéristiques mécaniques de matériaux
élaborés sous forme de fibres sont reportées dans le tableau I.3. Ces valeurs montrent
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Chapitre I les matériaux composites
12
nettement l'intérêt de l'élaboration des matériaux sous forme de fibres, relativement à la
contrainte spécifique à la rupture. Du fait de leur faible coût, les fibres de verre sont les plus
utilisées, avec une rigidité toutefois limitée. Les autres fibres présentent par contre un module
spécifique élevé, d'où leur intérêt.
I.5.3. Les matériaux composites :
Du fait de leurs faibles sections (diamètres de 10 à 20휇m), les fibres ne peuvent toutefois
être utilisées directement dans des applications mécaniques. D'où l'idée de les incorporer dans
une matrice polymère pour constituer un composite à fibres. La matrice a alors diverses
fonctions : lier les fibres entre elles, transférer les charges mécaniques aux fibres, protéger les
fibres de l'environnement extérieur, etc. Ainsi est né un nouveau matériau, modulable et
présentant des caractéristiques mécaniques spécifiques élevées. [1]
Tableau I.2 : Caractéristiques spécifiques des matériaux usuels, élaborés sous forme massive.
Module E
(GPa)
Contrainte
à la rupture
흈u
(MPa)
Masse
Volumique
흆
(kg/m3)
Module
spécifique
E/ 흆
(MN m/kg)
Contrainte
Spécifique
흈u /흆
(kN m/kg)
Acier 210 340-2100 7800 26,9 43-270
Alliages
d'aluminium
70 140-620 2700 25,9 52-230
Bois 30 — 390 33,3 —
Verre 70 700-2100 2500 28 280-840
Tungstène 350 1100-4100 19300 18,1 57-210
Béryllium 300 700 1830 164 380
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Chapitre I les matériaux composites
13
Tableau I.3 : Caractéristiques mécaniques spécifiques des matériaux élaborés sous forme de
fibres. [1]
Fibres de
Module
E
(GPa)
Contrainte à
la rupture
흈u
(MPa)
Masse
volumique
흆
(kg/m3)
Module
Spécifique
E/ ρ
(MN m/kg)
Contrainte
spécifique
흈u /흆
(kN m/kg)
Verre-E
Verre-S
72,4
85,5
3500
4600
2540
2480
28,5
34,5
1380
1850
Carbone à
- haut module
- contrainte
élevée
390
240
2100
3500
1900
1850
205
130
1100
1890
Kevlar
(aramide)
130 2800 1500 87 1870
Bore 385 2800 2630 146 1100
I.6. Avantages des matériaux composites : - Gain de masse
- Mise en forme de pièces complexes (principe du moulage) et réduction du nombre
d’interfaces (boulonnage, rivetage et soudure sur structures métalliques)
- Grande résistance à la fatigue
- Faible vieillissement sous l'action de l'humidité, de la chaleur, de la corrosion (sauf
en cas de contact entre de l’aluminium et des fibres de carbone)
- Insensibles aux produits chimiques "mécaniques " comme les graisses, huiles,
liquides hydrauliques, peintures, solvants, pétrole
I.7. Inconvénients des matériaux composites : - Vieillissement sous l’action de l’eau et de la température
- Attention aux décapants de peinture qui attaquent les résines époxydes
- Tenue à l’impact moyenne par rapport aux métalliques
- Meilleure tenue au feu que les alliages légers mais émission de
fumées parfois toxiques pour certaines matrices.
- Coût parfois prohibitifs (temps et coût études et mise en œuvre), le gain en coût est
surtout valable pour des grandes séries. [2]
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Chapitre I les matériaux composites
14
I.8. Matrices : Dans un grand nombre de cas, la matrice constituant le matériau composite est une
résine polymère. Les résines polymères existent en grand nombre et chacune à un domaine
particulier d’utilisation. Dans les applications où une tenue de la structure aux très hautes
températures est requise, des matériaux composites à matrice métallique, céramique ou
carbone sont utilisés. Dans le cas des matériaux en carbone des températures de 2 200°C
peuvent êtres atteintes. La classification des types de matrices couramment rencontrées est
donnée sur la figure I.4
Figure I.4 : La classification des types de matrices
I.8.1. Résines thermodurcissables :
Les résines thermodurcissables ont des propriétés mécaniques élevées. Ces résines ne
peuvent être mises en forme qu’une seule fois. Elles sont en solution sous forme de polymère
non réticulé en suspension dans des solvants. Les résines polyesters insaturées, les résines de
condensation (phénoliques, amioplastes, furaniques) et les résines époxys sont des résines
thermodurcissables.
I.8.2. Résines thermoplastiques :
Les résines thermoplastiques ont des propriétés mécaniques faibles. Ces résines sont
solides et nécessitent une transformation à très haute température. Les polychlorures de vinyle
(PVC), les polyéthylènes, polypropylène, polystyrène, polycarbonate polyamide sont quelques
exemples de ces résines thermoplastiques.
I.8.3. Additifs :
Des produits peuvent êtres incorporés à la résine pour renforcer les propriétés
mécaniques (charges renforçantes, ex : charges sphériques creuses 5 à 150μm). Des charges
non renforçantes peuvent êtres également utilisées pour diminuer le coût des matrices en
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Chapitre I les matériaux composites
15
résine. Des additifs, de type colorant ou agent de démoulage sont largement utilisés lors de la
conception des structures constituées de matériaux composites.
I.9. Renforts : Les renforts assurent les propriétés mécaniques du matériau composite et un grand
nombre de fibres sont disponibles sur le marché en fonction des coûts de revient recherchés
pour la structure réalisée. Les renforts constitués de fibres se présentent sous les formes
suivantes : linéique (fils, mèches), tissus surfaciques (tissus, mats), multidirectionnelle (tresse,
tissus complexes, tissage tri directionnel ou plus).
La classification des types de renforts couramment rencontrés est indiquée sur la figure
I.5
Figure I.5 : La classification des types de renforts
I.9.1. Fibres de verre :
Les fibres de verre ont un excellent rapport performance–prix qui les placent de loin au
premier rang des renforts utilisés actuellement dans la construction de structures composites.
I.9.2. Fibres de carbone :
Les fibres de carbone ont de très fortes propriétés mécaniques et sont élaborées à partir
d’un polymère de base, appelé précurseur. Actuellement, les fibres précurseurs utilisées sont
des fibres acryliques élaborées à partir du polyacrylinitrique (PAN). La qualité des fibres de
carbone finales dépend fortement des qualités du précurseur.
Le principe d’élaboration est de faire subir aux fibres acryliques une décomposition
thermique sans fusion des fibres aboutissant à une graphitation. Le brai qui est un résidu de
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Chapitre I les matériaux composites
16
raffinerie issu du pétrole ou de la houille est également utilisé pour produire des fibres de
carbone.
I.9.3. Fibres aramides :
Les fibres aramides ont des propriétés mécaniques élevées en traction comme les
carbones mais leurs résistances à la compression est faible. La faible tenue mécanique en
compression est généralement attribuée à une mauvaise adhérence des fibres à la matrice dans
le matériau composite.
Les matériaux composites de type céramiques sont souvent constitués de renforts et de
matrice en céramique. Les fibres sont élaborées par dépôt chimique en phase vapeur sur un fil
support. Ces fibres sont rencontrées dans des applications où la température est très élevée
entre 500°C et 2 000°C. Ces matériaux sont utilisés notamment dans les parties chaudes des
moteurs d’avions. Quelques exemples de fibres céramiques :
– fibres de Carbure de Silicium
– fibres de Bore
– fibres de Bore carbure de silicium [3]
I.10. Les fibres :
I.10.1. Introduction :
Une fibre est une forme de matière extraordinaire possédant une résistance à la rupture et
souvent un module d’élasticité beaucoup plus élevés que ceux du même matériau sous forme
massive. Sous la forme d’un filament fin, les propriétés d’un matériau sont beaucoup plus
proches des valeurs théoriquement possibles que tout autre forme de matière, surtout en
résistance à la rupture. En effet, la résistance à la rupture d’un matériau n’est pas une propriété
intrinsèque mais dépend des défauts présents à la surface ou dans le volume du matériau, qui
engendrent des concentrations de contrainte. [4]
I.10.2. Les fibres naturelles :
Les fibres naturelles sont des substances filamenteuses issues de végétaux et d'animaux,
susceptibles d'être filées pour fabriquer des fils et des cordes. Elles sont tissées, tricotées ou
tressées pour confectionner des textiles indispensables à la société.
À l'instar de l'agriculture, les textiles jouent en effet un rôle fondamental dans la société
depuis les débuts de la civilisation. Des fragments d'articles de coton datant de 5000 ans avant
Jésus-Christ ont été retrouvés lors de fouilles au Mexique et au Pakistan. Selon la tradition
chinoise, l'histoire de la soie a commencé au 27e siècle avant notre ère. L'étoffe la plus
ancienne, découverte au Danemark, date de 1500 avant Jésus-Christ et le tapis le plus ancien,
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Chapitre I les matériaux composites
17
provenant de Sibérie, date de 500 ans avant notre ère. Quant au jute et à la bourre de coco, ils
sont cultivés depuis l'Antiquité.
Si les techniques de fabrication des textiles ont beaucoup progressé depuis lors, leurs
fonctions n'ont guère évolué : la plupart des fibres naturelles servent encore de nos jours à
fabriquer des vêtements ainsi que des revêtements isolants et des tissus de décoration
intérieure. Les textiles traditionnels sont de plus en plus utilisés dans l'industrie : fabrication de
matériaux composites, d'implants médicaux, de géotextiles et d'agro textiles.
I.10.2.1. Fibres végétales :
Les fibres végétales sont issues de la graine (le coton), la tige (le chanvre et le lin), la
feuille (le sisal) ou l'écorce (la bourre de coco).
I.10.2.2. Fibres animales :
Les fibres animales sont la laine, les poils et les sécrétions (la soie, par exemple). [5]
I.10.2.3. Fibre de Cactus :
Figure I.6 : les cactus
Bouakba et al [6] ont été étudié le comportement mécanique en flexion 3 points statique
et en fatigue de flexion 3 points pour des stratifiées composite polyester/ fibre de cactus.
L’auteur propose dans son travail une nouvelle technique d’extraction des fibres. Cette
technique consiste a l’enfouissement des raquette dans la terre pendant 15 jours.
L’enfouissement favorise la fermentation de l’oxalate de calcium qui rend l’extraction des
fibres facile comme montre la figure I.7. Nous avons utilisé la même technique pour extraction
des fibres.
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Chapitre I les matériaux composites
18
Figure I.7 : tronc de cactus après 15 jours de l’enfouissement.
La figure I.8 montre le comportement mécanique en traction des fibres de cactus , les
résultats des modules d’Young et des contrainte a la rupture sont illustré au tableau I.4
Figure I.8 : comportement mécanique en traction des fibres de cactus
Tableau I.4 : propriétés mécaniques de la fibre du cactus. [6]
Eprouvette EL (GPa) 휎f (MPa) 휀f ()
1 1,36 15,7 1,35
2 1,35 15,7 1,35
3 1,55 15,4 1,21
4 1,63 16,3 1,23
Moyenne 1,48 15,8 1,29
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Chapitre I les matériaux composites
19
Le cliché de microscope électronique a balayage (MEB) pour la fibre de cactus montre une
architecture structurale similaire a un nanotube de carbone voire la figure I.9.
(a)
(b)
Figure I.9 : (a) cliché du MEB pour la fibre de cactus; (b) nanotube de carbone. [6]
I.11. Conclusion Un matériau composite est constitué de différentes phases nommées renforts et matrice.
Lorsque le matériau composite est non endommagé, les renforts et la matrice sont parfaitement
liés et il ne peut pas y avoir ni glissement ni séparation entre les différentes phases. Les
renforts se présentent sous forme de fibres continues ou discontinues. Le rôle du renfort est
d’assurer la fonction de résistance mécanique aux efforts. L’amatrice assure quant à elle la
cohésion entre les renforts de manière à répartir les sollicitations mécaniques. L’arrangement
des fibres, leur orientation permettent de renforcer les propriétés mécaniques de la structure.
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Chapitre II :
Essai de choc
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Chapitre II Essai de choc
21
II.1. Introduction : Le premier à avoir introduit la notion de mesure de la force résiduelle nécessaire pour
obtenir la rupture d'un matériau est l'américain Russel en 1897 (publication à l'American
Society of Civil Engineers). Il mit au point en 1896 une machine de rupture ancêtre du mouton
pendule actuel. Cependant Russel ne considérait pas la présence de l'entaille sur l'éprouvette
comme importante et effectuait la majeure partie de ses essais sans entaille.
En 1897, le français Frémont présenta une machine, à l'occasion d'une publication au
bulletin des ingénieurs civils. La force de rupture était mesurée à l'aide d'un ressort.
Georges Charpy en 1901 proposa le mouton pendule encore utilisé actuellement. Il
effectua également une étude très complète et rigoureuse qui permit de proposer une méthode
reproductible et fiable. À la différence de Russel, il considéra la présence de l'entaille comme
fondamentale et standardisa sa forme. Son objectif était de classer les matériaux (et en
particulier les métaux) en fonction de leur résilience. Il n'envisageait pas l'étude du type de
rupture (ductilité, fragilité) ce qui est le cas aujourd'hui.[7]
II.2. Principe de l'essai : Cet essai est destiné à mesurer l'énergie nécessaire pour rompre en une seule fois une
éprouvette préalablement entaillée. On utilise un mouton-pendule muni à son extrémité d'un
couteau qui permet de développer une énergie donnée au moment du choc. Cette énergie est
classiquement, dans le cas de la norme européenne, de 300 joules.
L'énergie absorbée est obtenue en comparant la différence d'énergie potentielle entre le
départ du pendule et la fin de l'essai. La machine est munie d'index permettant de connaître la
hauteur du pendule au départ ainsi que la position la plus haute que le pendule atteindra après
la rupture de l'éprouvette.
L'énergie obtenue (en négligeant les frottements) est égale à :
K = m . g . h – m . g . h’ (II.1)
K = m . g . (h – h’) (II.2) m = masse du mouton-pendule [kg] g = Accélération terrestre. [m s-2] (9.80665)
h = hauteur du mouton-pendule à sa position de départ [m]
h’ = hauteur du mouton-pendule à sa position d’arrivée [m]
La graduation de la machine permet généralement d'obtenir directement une valeur en
joule. [8]
Page 34
Chapitre II Essai de choc
22
II.2.1. Définition du principe de l'essai :
L’essai de résilience (essai au choc) consiste à rompre, par un seul choc, une éprouvette
préalablement entaillée en son milieu et à mesurer l’énergie W (en joules) absorbée par la
rupture. La résilience est définie par la lettre K (Joules/cm²).
L’essai se réalise sur une machine appelée mouton pendule rotatif. On mesure la résistance au
choc du matériau.
II.3. Les éprouvettes pour la résilience : II.3.1. Eprouvettes CHARPY U :
Une éprouvette est un barreau usiné de section carrée de 10 mm de coté et dont la
longueur est 55 mm. L’entaille de 2 mm de largeur et de 5 mm de profondeur se termine par
un fond cylindrique de 1 mm de rayon. La résilience est alors mesurée et précisée selon
le symbole Kcu.
Figure II.1 : Eprouvettes CHARPY U
Les éprouvettes Mesnager et DVM sont identiques avec pour seule variante la
profondeur de l'entaille (3mm et 2mm).
II.3.1.1. Eprouvette Mesnager :
Figure II.2 : Eprouvette Mesnager
II.3.1.2. Eprouvette DVM:
Figure II.3 : Eprouvette DVM
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Chapitre II Essai de choc
23
II.3.2. Eprouvettes CHARPY V :
Pour un essai avec une éprouvette Charpy V, l’éprouvette sera entaillée en V de 2 mm
de profondeur et avec un angle de 45° dont les dimensions sont les mêmes que pour
les éprouvettes Charpy U. On précise par le symbole Kcv l’essai de résilience en V.
Figure II.4 : Eprouvettes CHARPY V
II.4. Photo d'un mouton pendule Charpy :
Figure II.5: Photo d'un mouton pendule Charpy
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Chapitre II Essai de choc
24
II.5. Chématisation de l’essai de résilience :
Figure II.6: Chématisation de l’essai de résilience
-Au départ, le pendule est placé à une hauteur paramétrée qui devra délivrer une énergie
normalisée de 294 Joules (si l’on tient compte de la gravité de 9,81 m/s²)
-Le pendule est libéré, ce qui grâce à son propre poids, provoquera un choc.
L’éprouvette encaissera une partie du choc, mais sera brisée.
-Le pendule continuera dans son élan jusqu'à une certaine hauteur, ce qui permettra de mesurer
l’énergie absorbée par l’éprouvette.
-L’énergie absorbée est calculée grâce à W=P (h0-h1) (P en N)
II.6. Calcul de la résistance Kcv :
Kcv (J/cm²) = W/S (II.3)
Avec : W en Joules et S en cm²
II.7. Différents types d'éprouvettes CHARPY V : Normales (55x10x10) : Surface de rupture : 0,8 cm²
Réduites (55x7,5x10) : Surface de rupture : 0,6 cm²
Réduites (55x5x10) : Surface de rupture : 0,4 cm² [9]
Page 37
Chapitre II Essai de choc
25
II.8. Pendule d'impact, 25 Nm :
Figure II.7: Pendule d'impact, 25 Nm
* Essai de résilience
* Méthode classique de contrôle qualité et d'évaluation des caractéristiques de rupture des
matériaux métalliques
* Les données de base de l'appareil sont conformes à DIN 50115 et DIN 51222
* Fait partie d'une série d'appareils composant un cours complet sur les principes de base des
essais de matériaux
* Acquisition sur PC des données mesurées WP 400.20 disponible en option
II.8.1. Description :
Le mouton-pendule est un appareil solide, spécialement conçu pour l'enseignement
technique. Il sert à réaliser l'essai de résilience qui fait parties des tests de matériaux
classiques. Ceci permet d'évaluer la qualité et les caractéristiques de rupture de différents
matériaux métalliques. Mais l'appareil peut également être utilisé avec des échantillons non
métalliques. L'énergie de choc nécessaire à la déformation de l'échantillon est indiquée sur un
afficheur muni d'une échelle de grandes dimensions. Un déclenchement à deux mains accroît
la sécurité de l'utilisateur. Un couvercle de protection pour l'espace de travail et une
acquisition de données mesurées sur PC est en outre disponible en accessoire. Les
Page 38
Chapitre II Essai de choc
26
caractéristiques de base de l'appareil sont conformes à la norme DIN 50115. Ses avantages
didactiques résident dans la simplicité de montage et dans la possibilité d'observation directe
de tous les processus. Avec les autres appareils de la série WP, cet appareil fait partie d'un
cours complet sur les principes de base des essais de matériaux.
II.8.2. Essais :
- Détermination de l'énergie de choc
- Détermination de la résilience
- Evaluation de la surface de rupture
- Courbe d'énergie de choc-température
- Influence de la forme des entailles sur l'énergie de choc
- Influence du type de matériau et du traitement thermique préalable sur l'énergie de
choc
- Influence de la température des échantillons sur l'énergie de choc.
II.8.3. Conception de l’appareil :
Figure II.8: Conception de l’appareil
1 aiguille entraînée, 2 échelle de mesure, 3 marteau avec poids additionnels amovibles,
4 anneau de protection, 5 logement avec échantillon, 6 pied,
7 déclenchement à deux mains et frein
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Chapitre II Essai de choc
27
II.8.4. Spécification :
1- Expérience de table de test de matériaux pour la réalisation de l'essai de résilience
2- Contrôle qualité et évaluation des caractéristiques de rupture des matériaux
métalliques
3- Mouton-pendule suivant DIN 50115
4- Section des échantillons: 10x10mm
5- Section des échantillons au fond des entailles: 10x5 et 10x8mm
6- Vitesse d'impact du marteau: 3,8m/s
7- Sécurité accrue par déclenchement à deux mains
8- Composition des échantillons: acier de décolletage 9SMn28K, acier de traitement
C45, acier de construction St37, laiton CuZn40Pb2
9- Lxlxh 1000x180x1000mm
10- Acquisition sur PC des données mesurées WP 400.20 disponible en option
II.8.5. Caractéristiques techniques :
Capacité: 15 et 25Nm
Vitesse d'impact du marteau: 3,8m/s
Distance des appuis des échantillons: 40mm
Section des échantillons: 10x10mm
Section au fond de l'entaille: 10x8 et 10x5mm
Composition des échantillons:
Acier de décolletage 9SMn28K,
Acier de traitement C45,
Acier de construction St37
Laiton CuZn40Pb2
II.8.6. Dimensions et poids :
Lxlxh: 1000 x 180 x 1000 mm.
Poids: env. 60 kg. [10]
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Chapitre III : partie
expérimentale
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Chapitre III partie expérimentale
29
III.1. Introduction : L’objectif essentiel de ce chapitre est d’observer, d'identifier et de quantifier
globalement et localement l’endommagement sous impact (essai de choc) de structures en
matériau composite à fibres de cactus et résine polyester. L’essai de résilience a été élaboré
pour prendre en compte ces phénomènes de rupture. Le moyen le plus classique pour
caractériser la fragilisation du matériau sous l'action d'un choc est cet essai de résilience qui
est un essai de flexion par choc sur une éprouvette entaillée qui mesure la résistance d’un
matériau a la rupture brutale. Il est fréquemment dénommé essai de résilience CHARPY ou
même essai CHARPY.
Ces méthodes de test sont utilisés pour déterminer la résistance des matières à la rupture
par choc à la flexion, comme indiqué par l'énergie extraite de normalisé pendule de type
marteaux, monté dans des machines standardisées, à briser éprouvettes avec un mouvement de
balancier. Ces méthodes d'essai nécessitent spécimens à être faits avec une entaille, l'entaille
produit une concentration de contraintes qui favorise une cassant, plutôt qu'un ductile, fracture.
Les résultats de ces méthodes d'essai sont présentés en termes d'énergie absorbée par unité de
largeur de l'échantillon (Il faut être prudent dans l'interprétation des résultats de ces méthodes
d'essai).
Les paramètres d'essai suivants peuvent affecter les résultats des tests de façon
significative: la méthode de fabrication de l'échantillon, y compris mais non limité à la
technologie de traitement, des conditions de moulage, conception de moules, et le traitement
thermique, la méthode de gruger les métaux; vitesse de l'outil entaillage, la conception de
l'appareil entaillage, la qualité de l' encoche; temps entre les encoches et de test; épaisseur de
l'éprouvette de test, et conditionnement d'ambiance.
La présente norme ne prétend pas répondre à toutes les questions de sécurité, le cas
échéant, associés à son utilisation. Il est de la responsabilité de l'utilisateur de cette norme
d'établir des pratiques de santé et de sécurité appropriées et de déterminer l'applicabilité des
restrictions réglementaires avant utilisation.
III.2. Elaboration du composite cactus/polyester : Des plaques composites ont étés élaborées, au laboratoire LMS université de Guelma,
par la méthode de moulage au contact a base pression figure III.1. Les épaisseurs des plaques
sont contrôlées à l’aide des cales. Rappelons que les composites sont imprégnés à température
ambiante (18 à 20°C) et la résine est catalysée et durcis dans des proportions comprises entre 1
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Chapitre III partie expérimentale
30
et 1,5 % en masse. Une fois les plaques réticulées, elles subissent toutes un cycle de
polymérisation de 24 heures à température ambiante avant démoulage.
Figure III.1 : a) dispositif de fabrication b) plaques composites fabriquées
Le taux massique de fibre Mf des stratifiés sont ensuite déterminés par la méthode du
poids, le taux de fibre est le rapport entre la masse de renfort et la masse de la plaque. Cette
mesure permet d’obtenir un taux de fibre moyen de la plaque.
III.3. Techniques expérimentales : Les essais de résilience, ont étés réalisés sur une machine de Charpy WP 400 au
laboratoire d’RDM à l’université de Kasdi Merbah Ouargla, cette appareille à une capacité de
25 NM. Au moins cinq éprouvettes entaillée en U ont été testées, ces éprouvettes sont
découpées selon la norme ASTM D 6110 – 02, le tableau III.1 regroupe les dimensions utilisé
pour cette teste.
Figure III.2 : Machine de Charpy
Page 43
Chapitre III partie expérimentale
31
Tableau III.1 : dimension des éprouvettes d’essai selon la norme ASTM D 6110 – 02
Dimensions
Longueur
(mm)
Largeur
(mm)
Epaisseur
(mm)
Entaille en U
(mm)
100 20 10 2
Figure III.3 : Eprouvette d’essai selon la norme ASTM D 6110-02
III.4. Importance et utilisation : 1- Avant de procéder à ces méthodes d'essai, reportez-vous à la spécification du matériel
pour le matériau testé. Toute la préparation de l'éprouvette, le conditionnement, les dimensions
et les paramètres de test requis par la spécification des matériaux priment sur celles requises
par ces méthodes d'essai.
2- Le test d'impact du pendule de l'énergie en excès indique le d'énergie pour casser des
éprouvettes normalisées de taille spécifiée sous des conditions stipulées spécimen de montage,
l'entaillage (concentration de stress), et la vitesse du pendule à l'impact.
3- L'énergie perdue par le pendule pendant la rupture de l'éprouvette est la somme des
énergies nécessaires pour initier la rupture de l'éprouvette; pour propager la fracture à travers
le spécimen, de jeter les extrémités libres de l'éprouvette (cassé mélanger l'énergie); à plier le
spécimen; pour produire des vibrations dans le bras du pendule; pour produire des vibrations
ou d'un mouvement horizontal du bâti de la machine ou de la base; pour vaincre le frottement
du palier de pendule et en excès d'énergie indiquant mécanisme, et de surmonter fardage
(résistance à l'air du pendule); mettre en retrait ou déformer plastiquement, le spécimen à la
ligne d'impact et de surmonter la friction causée par le frottement du nez frappe sur la face de
l'éprouvette courbée.
4- Pour les matériaux relativement fragiles pour lesquels fracture propagande ¬ énergie
gation est faible en comparaison avec l'énergie d'amorce de rupture, l'énergie impacté indiqué
absorbée est, à toutes fins pratiques, la somme de l'énergie nécessaire pour initier la rupture de
l'éprouvette, et le tirage au sort énergie. Le tirage au sort énergie peut représenter une très
Page 44
Chapitre III partie expérimentale
32
large fraction de l'énergie totale absorbée lors de l'essai des matériaux relativement denses et
fragiles.
NOTE 1 : Aucune procédure n'a été établie pour estimer l'énergie lancer pour la méthode
Charpy.
NOTE 2 : Bien que le cadre et la base de la machine doit être suffisamment rigide et
massive pour gérer les énergies de spécimens difficiles sans mouvement ou vibration
excessive, le bras du pendule ne peut être faite très massive, car la plus grande partie de sa
masse doit être concentrée près son centre de percussion à son nez frappante. Positionnement
du nez de frappe précisément au centre de percussion réduit les vibrations du bras de pendule
lorsqu'il est utilisé avec des échantillons cassants. Quelques pertes dues aux vibrations du bras
pendulaire (dont le montant varie avec la conception de la pendule) auront lieu avec des
spécimens difficiles, même lorsque le nez frappant est correctement positionné. [11]
III.5. Résultats et discussion : Les tableaux III.2 et III.3 regroupent l’énergie absorbée et la résistance au choc pour un
composite à renfort naturelle (fibre de cactus/polyester) respectivement. Les résultats obtenus
de l’énergie absorbée pour ce type de composite est de l’ordre de 17200 MJ avec une division
standard égale à 2,58. Fu et al sont étudies le comportement au choc d’un matériau composite
à renfort de verre et une résine polyester, le composite étudie dans le travail de Fu et al montre
une énergie absorbée de l’ordre de 20000 MJ. Les composites à renfort naturelle montrent un
excellant résultats comparons avec la fibre de verre. Le mécanisme de rupture est montré à la
figure III.5.
Tableau III.2 : Energie absorbée pour un composite à renfort naturelle (fibre de
cactus/polyester).
Eprouvette
Energie
absorbée
(N.mm )
Longueur
(mm)
Largeur
(mm )
Epaisseur
(mm)
Volume
(mm 3)
A
(J /mm2)
1 16000 98 21 10 16800 1,05
2 18000 97 19 10 18915 1,05
3 21000 100 21 10 22260 1,06
4 14000 98 19 10 15120 1,08
5 17000 101 19 10 17407 1,02394118
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Chapitre III partie expérimentale
33
On a 5 éprouvette dans chaque cas nous mesurons l’énergie de rupture (Tableau III.2 )
le rapport A (l’énergie divise par la section d’éprouvette ) varie selon les caractéristique
mécanique de fibre et le volume d’éprouvette.
III.5.1. l’énergie totale de correction pour l’énergie de rupture, Es, d’un échantillon :
(III.1)
= correction énergie en dérive du pendule en plus friction dans le cadran, J.
= 0,022 J d’après le catalogue de la machine
= correction d’énergie pour la prise au vent du pendule, J.
= pendule angle maximal voyager avec un oscillation du pendule.
= angle pendule se déplace pour un échantillon donné
=
= ( )
=
= 0,022 J
III.5.2. La résistance au choc:
La résistance au choc pour un composite fibre de cactus/polyester est calculée on
utilisons la formule suivante :
(III.2)
= une résistance au choc de l'éprouvette, J/m
= lecture du cadran énergie de rupture pour un spécimen, J.
= l'énergie totale de correction de l'énergie de rupture, Es, d'un échantillon
= largeur de l'éprouvette ou de la largeur de l'encoche, m (cm).
Le tableau III.3 illustre les résultats obtenus par la technique expérimentale utilisé dans ce
travail de mémoire.
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Chapitre III partie expérimentale
34
Tableau III.3 : La résistance au choc pour un composite à renfort naturelle (fibre de
cactus/polyester).
Eprouvette Energie
(J )
Largeur
(m )
Is
(J/m)
1 16 0,021 760,857143
2 18 0,019 1198,53333
3 21 0,021 998,952381
4 16 0,019 998,428571
5 17 0,019 1306
Suivant le tableau on observe que La résistance au choc pour un composite à renfort naturelle
(fibre de cactus/polyester) varie selon l’énergie obtenue par le pendule et largeur d’éprouvette.
III.5.3. Les mécanisme de rupture des éprouvettes :
Les éprouvettes testées au choc montrent un mécanisme de rupture en mode I. sur ces
faciès de ruptures l’arrachement des fibres est existe, ceci montre que la quasi-totalité des
charge est supporté par le renfort (fibre de cactus).
Figure III.5 : Eprouvettes testées au choc.
III.5.4. Comportements mécaniques des stratifiés composites (cactus/polyester) sollicité
en flexion 3 points statique :
Les essais de flexion ont étés effectues selon la norme ASTAM à une vitesse d’essai de
2 mm/min. La figure III.4 représente le comportement mécanique charge/flèche d’un
composite cactus/polyester sollicité en flexion 3 points ce courbe caractérise par un
comportement linéaire jusqu’à une flèche de 2 mm correspondant à l’initiation des fissures au
niveau de la matrice (résine), l’augmentation de la charge provoque le développement des
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Chapitre III partie expérimentale
35
fissures et un comportement en escalier de la courbe charge/flèche est enregistré jusqu’à la
rupture brutale de l’éprouvette.
0
20
40
60
80
100
120
140
0 1 2 3 4 5 6 7
Cha
rge
[N]
Fléche [mm]
Figure III.4 : Courbe type Charge-Flèche d’un composite cactus/polyester, sollicité en flexion
3 points.
la contrainte et le module de flexion sont calculés à l’aide des formules:
(III.3)
(III.4)
Les propriétés mécaniques de toutes les éprouvettes testées en flexion trois points sont
regroupés dans le tableau III.4, les résultats obtenus montrent qu’il existe une variation dans
les propriétés à la rupture (contrainte/flèche) ainsi qu’une faible variation dans le module
d’élasticité en flexion. La dispersion enregistrer pour la contrainte et le déplacement à la
rupture en flexion trois points, est fortement liée à la variation de l’architecture des fibres, et
aussi le volume sollicité c'est-à-dire des endroits les plus pauvres en fibres dans les éprouvettes
testées. La dispersion observée pour le module en flexion est généralement liée à l’anisotropie
de la fibre de cactus.
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Chapitre III partie expérimentale
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Tableau III.4 : Propriétés mécaniques en flexion trois points d’un composite cactus/polyester.
Eprouvette σ_rupture
[MPa]
D_rupture
[mm] Ef [MPa]
1 86,50 6,53 8329,5
2 86,41 6,49 8463,1
3 94,43 6,57 8262,5
4 82,40 6,74 8246,3
Moyenne 87,45 6,6 8325,1±5
III.6. Conclusion L’essai de choc est utilisé pour déterminer la résistance des matériaux à la rupture cette
résistance aux chocs est inversement liée à la nature du matériau. les composites à renfort
naturelle montrent un excellant résultats sur les faciès de ruptures l’arrachement des fibres est
existe, ceci montre que la quasi-totalité des charge est supporté par le renfort (fibre de cactus).
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Conclusion Générale
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Conclusion générale
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Conclusion générale Les matériaux composites apportent de nombreux avantages fonctionnels : résistance
mécanique et chimique, légèreté, maintenance réduite, liberté de formes. Ils permettent
d'augmenter la durée de vie de certains équipements grâce à leurs propriétés mécaniques. Ils
contribuent au renforcement de la sécurité grâce à une meilleure tenue aux chocs. l’essai de
choc est utilisé pour déterminer la résistance des matériaux à la rupture cette résistance aux
chocs est inversement liée à la nature du matériau. le composite élaboré montre des bonnes
performances au choc comparons avec un composite à renfort de fibre de verre.
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Référence Bibliographiques
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Référence Bibliographiques
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Référence Bibliographiques [1] Jean-Marie BERTHELOT, Matériaux composites / comportement mécanique et analyse
des structures, pages (3…11), édition Lavoisier, 2005, (ISBN 2 7430 0771 0).
[2] Nadia BAHLOULI, Cours Matériaux Composites / DESS Mécanique avancée et
Stratégie industrielle.
[3] Laurent Gornet, Généralités sur les matériaux composites.
[4] Claude Bathias et coll, Matériaux composites, page (9), édition Dunod, Paris,2005,
(ISBN 2 10 006398 7).
[5] http://www.naturalfibres2009.org/fr/fibres/
[6] Mustapha Bouakba, Abderrezak Bezazi, Katarzyna Boba, Fabrizio Scarpa, Stuart
Bellamy, Cactus fibre/polyester biocomposites: Manufacturing, quasi-static mechanical
and fatigue characterisation.
[7] C.W. Richards (traduction G. Lehr), La science des matériaux, édition Dunod,
Paris,1965.
[8] Guy Murry, Aide-mémoire métallurgie - Métaux, alliages, propriétés, collection Aide-
mémoire de l'ingénieur, édition Dunod, Paris,2004, (ISBN 2 10 007599 3).
[9] Essai de résilience - Résistance au choc ! Par: Rocdacier Publiée le : 26/11/2010.
[10] WP400 pendule d’impact, 25NM, Manuel d’instruction, Lisez impérativement les
directives de sécurit, avant la première mise en service, Gunt, 08/2004.
[11] Standard Test Methods for Determining the Charpy Impact Resistance of Notched
Specimens of Plastics.
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Résumé :
L’objectif de cette mémoire est étudié le comportement au choc des stratifies
composite renforcées par des fibres naturelles (fibre de cactus). Des plaques composites ont
étés élaborées, au laboratoire LMS université de Guelma, par la méthode de moulage au
contact a base pression. Des essais de choc ont étés réalisés au laboratoire RDM de
l’université d’Ouargla, les éprouvettes d’essai sont découpées selon la norme ASTM D 6110
– 02. Le composite élaboré montre des bonnes performances au choc comparons avec un
composite à renfort de fibre de verre.
Mont clé : les matériaux composites, les fibres naturelle, la résistance au choc, les fibres de
cactus, les matrices, l’essai de Charpy.
:ملخص التي صنعت في مخبر ) ألیاف الصبار(الطبیعیة باأللیافالمعززة الھدف من ھذه المذكرة ھو دراسة سلوك المواد المركبة
أكثر أوالمواد المركبة وھي عبارة تجمع مادتین بتعریفنقوم أوال, جامعة قالمة وأجرینا علیھا التجارب في جامعة ورقلة
انیا نقوم بتعریف تجربة شاربي والھدف معززة بألیاف الصبار ثالالمواد المركبة ونحن نستخدم من حیث الطبیعة تختلف
الحجم من حیث ن بعضھا البعض عنقوم بالتجربة وھذا بأخذ عینات من المواد المعززة بألیاف الصبار تختلف اوأخیرھا من
المركبةم حساب قوة التأثیر على المواد ثونقوم بدراسة العالقة بین حجم العینات والطاقة المتحصل علیھا من خالل البندول
. والمقارنة بینھا وبین ألیاف الزجاج
. تجربة شاربي, القوالب, ألیاف الصبار, مقاومة الصدمات, األلیاف الطبیعیة, المواد المركبة :الكلمات الدالة