Comportement cyclique et tenue en fatigue sous chargement multiaxial d'un polyéthylène : expériences et critère d'endurance
Résumé
The multiaxial fatigue behavior of un-filled semi-crystalline polymers has not been widely investigated. Unlike metals and other polymer materials like rubbers, only a few works about fatigue criteria have been reported in the literature. This study, performed in high-density polyethylene, aims (i) at experimental characterization of the multiaxial fatigue resistance and a multiaxial fatigue criterion proposal, and (ii) at a better understanding of the various strain components leading to failure, among which viscoelasticity, plasticity and damage terms. In the first part, multiaxial tension, torsion and compression fatigue tests have been performed on tubular-shape specimens at constant frequency, amplitude and stress ratio (0, -1 et -\infty), with a triangular wave function. An air circulation device was developed to minimize self-heating and support an isothermal framework for the criterion. As a consequence of the mode of failure, an end-of-life criterion for fatigue tests was proposed first in order to define the number of cycles to failure. It was based on the onset of the softening process observed on the maximal strain evolution with time. Based on stress-controlled fatigue tests under tension, compression and torsion at different stress ratio, a multiaxial fatigue criterion including the stress-ratio effect was proposed for the fatigue design of this polymer. This criterion was based on the maximum and mean values of the second-invariant of the stress tensor. It was also satisfactorily applied to another semi-crystalline polymer i.e. a polypropylene. A few issues, linked to the way of characterizing the fatigue resistance of such materials (constant stress-rate versus frequency, relevance of self-heating methods), were also discussed briefly. The second aim was to analyze the viscoelastic, plastic and damage contribution to the strain evolution enhanced by cycling loading. Temperature, strains and loop evolution was investigated over wide loading conditions (multiaxial loading, frequency, stress ratio, thermal boundary conditions). A major result is that a large part of the strain appears recoverable and that the increasing part of the plastic contribution depends on the strain level regardless the cycling or creep loading history at a given mean stress. Subsequently, two effects linked to viscoelasticity, i.e. the mean stress and the cyclic loading history, have been logically investigated. Cycling was shown to accelerate the strain kinetics, however without noticeably modifying the micro-mechanisms and the plastic component.
Le comportement en fatigue multiaxiale des polymères semi-cristallins non-renforcés est un sujet relativement peu abordé, en particulier du point de vue de la fatigue à grand nombre de cycles et de la formulation de critères d'endurance. Cette étude sur le polyéthylène haute densité avait deux objectifs : (i) caractériser la tenue en fatigue multiaxiale et formuler un critère d'endurance et (ii) comprendre les facteurs d'influence du comportement cyclé pour tenter d'identifier le(s) grandeur(s) critique(s) ou cumul(s) de grandeur(s) qui amènent à la fin de vie de l'éprouvette. Des essais de fatigue multiaxiaux (traction, torsion, compression) ont été réalisés sur des éprouvettes tubulaires minces en PEHD, avec une fréquence constante, une forme d'onde triangulaire et différents rapports de charge R (0, -1 et -\infty). L'auto-échauffement de l'éprouvette a été réduit au minimum par la conception d'une enceinte thermique et les résultats ont été interprétés dans un cadre d'hypothèse isotherme pour la construction du critère. Un critère de fin de vie a été défini préalablement puisque la fin de vie de l'éprouvette intervient par une localisation macroscopique de la déformation. Il est basé sur la détection du début de l'adoucissement observé sur la cinétique de la déformation maximale. Ce critère est applicable à l'ensemble des conditions de sollicitation explorées, c'est-à-dire pour les trois trajets de chargement et les deux rapports de charge. Sur la base de ce critère de fin de vie, des courbes S-N ont pu être construites et un critère de fatigue a été proposé pour décrire le comportement en fatigue multiaxiale. Ce critère est construit en combinant les valeurs moyennes et maximales du deuxième invariant de la partie déviatorique du tenseur des contraintes. Il a été confronté à d'autres critères usuels, en contraintes principales notamment. Le critère proposé semble garder sa pertinence en l'appliquant sur un autre thermoplastique (Polypropylène), mais sa validité doit être confortée pour d'autres situations de chargement (essais combinés, rapports de charge plus élevés, autre gamme de fréquence, autres formes d'ondes...). Quelques aspects généraux ont été finalement discutés quant à la façon de caractériser la tenue en fatigue de ces matériaux : choix de la fréquence, analyse en vitesse de chargement, opportunité des méthodes accélérées d'auto-échauffement. Dans ce domaine de sollicitations, le second objectif était d'analyser les contributions viscoélastique, viscoplastique, d'endommagement sur l'évolution de la réponse cyclique conduisant à la fin de vie. Pour cela, les évolutions de température, de déformations, de forme des boucles d'hystérésis ont d'abord été examinées dans un cadre large (sollicitations multiaxiales, gamme de fréquences et de rapports de charge, conditions d'échanges thermiques). La dépendance en vitesse et les recouvrances menées après différents nombres de cycles indiquent qu'une part importante de la déformation générée au cours du cyclage est recouvrable, et font apparaître une contribution croissante mais mineure de la plasticité et/ou de l'endommagement au cours du cyclage. En conséquence, deux effets liés à la viscoélasticité ont été étudiés : le rôle du fluage sous l'effet de la contrainte moyenne et l'influence de l'histoire du chargement. Dans les conditions choisies, le cyclage a un effet accélérateur sur la déformation par rapport au fluage sous la même contrainte moyenne, mais l'histoire du chargement ne semble pas modifier notablement les mécanismes et en particulier la part de déformation plastique.