Durability of new metal/rubber assemblies
Endurance de nouveaux assemblages métal/mélange
Résumé
Tyres are complex structures with multiple layers of reinforcement such as fabric, polymers and, most importantly, steel cord mesh. As for laminated composites, both tyre strength and rigidity are largely controlled by properties of the metal cord reinforcements. The steel cords embedded inside the rubber matrix form a cord-rubber composite which acts as the skeleton of the tyre. In modern tyres the steel cords are coated with brass that produces strong chemical bonds between Sulphur from the rubber and Copper from the coating during the vulcanisation process. These bonds act as an adhesive interface and undergo complex mechanical loadings, combined with aggressive environmental exposure during the life of a tyre. In this context, extracting detailed information about the mechanical behaviour of this rubber-cord interface is of great importance, both for materials scientists and tyre designers. Traditionally, standard fracture mechanical tests such as peel tests or pull-out tests are used to extract such information. However, these standard tests suffer from many experimental artefacts, and the test results depend on the rubber and cord properties in addition to those of the interface. The peel test cannot mimic the cylindrical nature of the cords whereas pull out tests suffer from friction effects between the fractured faces. These tests therefore fail to provide an intrinsic value of the fracture energy of adhesion.This PhD thesis aims to design and develop a novel test protocol for quantitative evaluation of the adhesion between tyre rubber and steel cord reinforcement. With this test protocol, referred to as Rubber Cord Adhesion Inflation Test (RCAIT), reproducible test conditions are achieved, and experimental artefacts are found to be minimal. The thesis work involves development of the RCAIT setup, from its design to its execution stage, analytical and numerical treatment of the problem, and calculation of the fracture energy needed for complete interface separation in the test configuration. A Thick Rubber Tube Inflation Model that describes the deformation of the specimens is proposed, in order to perform the analytical and numerical treatment. This model is used to calculate fracture energy or critical strain energy release rate of various rubber-cord composites at different loading rates. The model is initially developed for Mooney – Rivlin and Ogden rubbers, and then extended to other incompressible hyperelastic models that describe the rubber behaviour. A marker tracking technique is proposed, to monitor the crack propagation and to investigate the rubber deformation in the crack process zone region. This analysis is then extended to study the effect of certain experimental conditions on the evaluation of fracture energy. Finally, the theoretical model is used in conjunction with the marker tracking technique to estimate the properties of specimen materials and to evaluate fracture energy. Thus, the rubber-cord interface fracture energy evaluated with this technique is found to be more reliable and exhibit minimal experimental artefacts.
Les pneumatiques sont des structures composites complexes constituées de nombreux matériaux et renforts de nature différente, textile, fibres polymères mais également câbles et armatures métalliques. Ainsi que pour les matériaux composites stratifiés, la résistance et la rigidité des pneumatiques sont principalement pilotées par celles des renforts. Les câbles métalliques noyés dans la matrice caoutchouc forment un composite élastomère / métal qui constitue le squelette du pneumatique. Usuellement, les câbles d’acier sont revêtus de laiton ce qui permet la formation de liaisons covalentes fortes entre le souffre contenu dans le caoutchouc et le cuivre du revêtement durant le processus de vulcanisation. Ces ponts covalents forment l’interface adhésive qui est soumise en service à des sollicitations mécaniques complexes combinées à une exposition à des environnements physico-chimiques agressifs. Dans ce contexte, accéder à des informations précises sur le comportement mécanique de cette interface métal-caoutchouc est primordial tant pour conduire des développements matériaux que pour dimensionner le système. Traditionnellement, des tests mécaniques standardisés tels que des essais de pelage ou encore d’arrachement sont utilisés à cet effet. Cependant ces tests souffrent de nombreux artefacts expérimentaux et les résultats très globaux mesurés dépendent non seulement des propriétés de l’interface mais également de celles du câble et de la gomme. Ainsi, les tests de pelage ne reproduisent pas la nature axisymétrique du renfort tandis que des phénomènes de friction entre surfaces fissurées compliquent l’analyse des tests d’arrachement. En conséquence, ces tests ne permettent pas d’accéder à des caractéristiques intrinsèques du système adhésif.Cette thèse a pour objectif la conception et l’analyse d’un essai innovant permettant une évaluation quantitative des performances adhésives entre gomme et renfort pour application pneumatique. Ce protocole d’essai, appelé « Rubber Cord Adhesion Inflation Test » (RCAIT), offre des conditions d’essai maîtrisées et reproductibles réduisant la présence d’artefacts. Le travail mené a porté sur le développement du dispositif expérimental du concept initial jusqu’à la mise en place d’un dispositif industrialisé, mais également sur le développement de modélisations analytiques et numériques permettant de déterminer le taux de restitution d’énergie nécessaire à produire une décohésion complète de l’interface lors du test. En particulier un modèle décrivant le gonflement d’un cylindre épais hyperélastique pressurisé est employé pour effectuer le bilan énergétique nécessaire à la détermination du taux de restitution critique d’énergie de l’interface, analyse appliquée pour déterminer à partir du RCAIT les performances de différents assemblages métal-mélange pour différentes vitesses de sollicitation. Ce modèle, a été initialement développé pour des comportements matériau de type Mooney-Rivlin et Ogden puis une procédure a été proposée pour mettre en œuvre simplement d’autres types de comportement hyperelastiques et incompressibles. Une technique de suivi de marqueur est proposée pour suivre la propagation de la fissure et permettre de décrire durant le test la réponse contrainte déformation de l’enveloppe de gomme notamment au voisinage du front de fissure. Cette mesure est employée pour évaluer la sensibilité du test à certains paramètres expérimentaux et utilisée avec les modèles mécaniques pour identifier le comportement mécanique du caoutchouc, donnée nécessaire à la détermination du taux de restitution critique d’énergie. Le test RCAIT et les analyses mécaniques développées permettent une détermination fiable des performances adhésives de l’interface en limitant la présence d’artefacts expérimentaux et une détermination in-situ des paramètres nécessaires à l’analyse du problème.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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