Multiscale experimental study of fatigue crack growth in natural rubber
Etude expérimentale multi-échelle de la propagation de fissure de fatigue dans le caoutchouc naturel
Résumé
This PhD thesis aims to experimentally characterize the fatigue crack growth behaviour in natural rubber, and is particularly interested in the neighbourhood of the crack tip where the well-known phenomenon of strain-induced crystallization takes place due to the large strains in this region. The final goal is therefore to explain the outstanding fatigue properties and crack growth resistance of natural rubber which are recognized for a while in literature. On the one hand, fatigue crack growth rate tests are performed to evaluate the influence of various parameters such as the type of elastomer, the carbon-black content and non-relaxing conditions, on the fatigue crack growth resistance. On the other hand, various experimental methods are used at different scales to characterize the fatigue crack tip neighbourhood. First of all, a synchrotron radiation allows us to measure quantitatively the strain-induced crystallization phenomenon at the crack tip using the wide-angle X ray diffraction method. Moreover, those results are related to strain field measurements obtained by digital image correlation. Besides, an original fatigue experiment performed in a scanning electron microscope enables us to observe in situ the fatigue crack growth mechanisms at the crack tip. Finally, all these experimental results, compared to macroscopic measurements of fatigue crack growth rates in our samples, lead to a discussion about the influence that has the strain-induced crystallization phenomenon on the resistance to fatigue crack growth in natural rubber.
Cette thèse de doctorat vise à caractériser expérimentalement la propagation de fissures de fatigue dans le caoutchouc naturel, en s'intéressant notamment à la zone située au voisinage de la pointe de fissure et au phénomène singulier de cristallisation sous tension. Les travaux ont pour objectif principal d'expliquer la remarquable résistance à la fissuration du caoutchouc naturel rapportée depuis un certain nombre d'années dans la littérature. Des essais de mesure de vitesse de propagation de fissure en fatigue sont d'une part menés de sorte à cerner l'influence de divers paramètres expérimentaux tels que la nature de la matrice élastomère, le taux de noir de carbone incorporé à cette dernière et les conditions de sollicitation, sur la résistance à la propagation. D'autre part, différentes méthodes expérimentales sont mises en oeuvre à différentes échelles pour caractériser la zone se trouvant au voisinage de la pointe de fissure. Un rayonnement synchrotron permet notamment de caractériser le phénomène de cristallisation par la technique de diffraction des rayons X aux grands angles. Ces résultats expérimentaux sont également comparés aux mesures de champs de déformation par la technique de corrélation d'images numériques. Par ailleurs, la mise en place d'un essai de fatigue au sein d'un microscope électronique à balayage permet d'observer in situ les mécanismes de propagation présents en fond de fissure. Finalement, la confrontation de l'ensemble de ces résultats expérimentaux mène à discuter de l'influence que peut avoir le phénomène de cristallisation sous tension sur la résistance à la propagation de fissure en fatigue.
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