Endommagement par cavitation du Polypropylène renforcé au choc par des particules d'élastomère
Résumé
Because of its high impact strength, PP toughened by inclusion of micrometric rubber particles (PP-EPR blends) is often used as a structural material. The study of the mechanisms involved in material damage is an important field of investigation to understand and improve the efficiency of the rubber toughening. The main process controlling the material behaviour is the cavitation of the rubber particles. The strong mechanical contrast between rubber and matrix mechanical properties produces a high level of internal positive hydrostatic stress in the particles. Above a certain pressure threshold, particles are destroyed. Experimentally cavitation can be detected by the increase of the non elastic volume and by the optical whitening of the material. Uniaxial tension experiments and microscopic analysis show the density and the size of the voids in the destroyed particles. The competition between several types of micro deformation mechanisms and the influence of the particle's neighbourhood have also been explored by a finite elements analysis. In the case of a crack tip multiaxial stress state, cavitation can lead to an increase of the impact properties: the material is able to accommodate the volume increase imposed by plain strain stress state, and the stress state changes from plane strain to plane stress. As the size of the plastic zone increases, the energy spent for the matrix flow is increased too. The critical depression level is roughly the same for uniaxial and triaxial stress states. It only depends on the type of rubber or the particle. In front of a sharp crack, mechanical interactions between particles seem to have a second order influence : the particles suddenly cavitate altogether when the state stress reaches the cavitation threshold. Further work should try to predict more precisely the material behaviour at the crack tip according to the knowledge of the individual properties or each phase (matrix and rubber particles), taking also into account the ability to accommodate the plain strain volume increase.
Le PP renforcé par un copolymère éthylène-propylène sous forme nodulaire est utilisé comme élément de structure pour sa bonne résistance à la rupture. L'étude des mécanismes qui interviennent au cours de son endommagement constitue donc un enjeu important pour la compréhension et la maîtrise du renfort au choc. Le principal phénomène qui va déterminer le comportement du matériau dans son état endommagé est la cavitation des particules d'élastomère. Suite au fort contraste de propriétés mécaniques entre la phase élastomère et la matrice, la sollicitation du matériau se traduit par le développement d'une dépression interne dans les particules qui va conduire, au delà d'un certain seuil, à leur destruction. Expérimentalement, la cavitation se manifeste par une augmentation de volume non élastique et par une modification des propriétés optiques du matériau (blanchiment). L'utilisation d'un mode de sollicitation uniaxial couplé avec une analyse par microscopie nous a permis de recueillir des informations précises concernant la séquence de cavitation des particules et les relations structure-propriétés du matériau. D'autre part, le rôle de la microstructure et la compétition entre les différents micromécanismes de déformation a clairement été mis en évidence par l'intermédiaire de calculs éléments finis. C'est dans le cas d'un mode de sollicitation multiaxial que la cavitation prend toute son importance en permettant d'accommoder l'augmentation de volume imposée par l'état de contrainte et conduisant au passage d'un état de déformation à un état de contrainte plane. La plasticité se développe de manière plus extensive et l'énergie consommée au sein du matériau augmente fortement. La dépression interne critique est identique qu'elle soit évaluée à partir d'essais uniaxiaux ou triaxiaux, ce qui confirme son unique dépendance de la nature de la phase élastomère. En sommet de fissure, les interactions élastiques entre particules sont de très faible ampleur, ce qui va entraîner une cavitation brutale des nodules pour une certaine valeur de la contrainte imposée. L'ensemble de nos travaux permet de dégager les perspectives de développements futurs dans le but d'une analyse prédictive du comportement en sommet de fissure en fonction des caractéristiques de plasticité et de dilatance des phases en présence.