chapitre i les matériaux composites

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).

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.

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 >

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 >

Table des matières et liste

des figures et liste des

tableaux et la nomenclature

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

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

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

Liste des Figures

VIII


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


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

Liste des tableaux

IX


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


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

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

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)

Introduction Générale

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.

Chapitre I :

les matériaux composites

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


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


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


6


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.


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


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.


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)


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.


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


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


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]


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


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


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,


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.


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


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.

Chapitre II :

Essai de choc

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]


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


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


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]


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


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


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]

Chapitre III : partie

expérimentale

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


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


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


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


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.


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


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.


36

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).

Conclusion Générale

Conclusion générale

47

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.

Référence Bibliographiques

Référence Bibliographiques

40

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.

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

chapitre i les matériaux composites

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