Étude de l'influence de la vitesse de déformation sur la réponse à l'indentation des matériaux polymères

The aim of this thesis is to study the strain rate effects through materials response from indentation test. Polymeric solid material, especially Polycarbonate (PC), Polymethyl methacrylate (PMMA), High Density Polyethylene (HDPE) and Polyamide Nylon 6.6 -30% glass fiber reinforced (PA 6.6-30% GFR), were selected as study materials due to their high strain rate sensitivity even at room temperature. The first two parts of this work were focused on the study of the thermomechanical behavior of polymer materials. Bibliographical studies of thermoplastic polymer materials, amorphous and semi-crystalline, was established in order to understand their microstructure and deformation mechanism. Moreover, compression tests were performed on study materials with several crosshead speeds values then the results was exploited analytically. The last three parts were focused on mechanical characterization using Instrumented Indentation Test (IIT). Firstly, numerical simulation of a conical indentation test ( =70.3°) with a constant rate displacement ( = 1 µm/s) was established using the identified G’sell behavior parameters and the power-law parameters from compression test. Parameter identification using Inverse Analysis from numerical material shows the non-uniqueness of G’sell parameters which gives the same indentation curve. Thus, theoretical study of conical indentation test was established considering power-law model. A new concept of the representative strain and the representative strain rate, based on solution domain which associate the set of parameters leading to the same indentation curves, was proposed. Very satisfactory results was obtained when identification process using this average representative strain rate is applied to a numerical material define by a power-law model. However, this method could not show its efficiency because the mechanical behavior of the real material is not correctly modeling with a power-law at a wide range of strain and strain rate. Finally, the new concept of the representative strain and the representative strain rate proposed on this work contributes to a new investigation tools to exploit the results form IIT and provide a very interesting perspectives.L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de la vitesse de déformation sur la réponse par indentation des matériaux. Les matériaux polymères thermoplastiques, notamment le Polycarbonate (PC), le Polyméthylméthacrylate (PMMA), le Polyéthylène à Haute Densité (PEHD) et le Polyamide Nylon 6.6 renforcé à 30% de fibres de verres (PA 6.6-30% GFR), ont été choisis comme matériaux d'études en raison de leur forte sensibilité à la vitesse de déformation même à température ambiante. Les deux premières parties de ce travail sont focalisées sur l'étude du comportement thermomécanique des matériaux polymères. Une étude bibliographique sur des matériaux polymères thermoplastiques, amorphes et semi-cristallins, a été effectuée afin de comprendre leur microstructure et leur mécanisme de déformation. De plus, des essais de compression simple ont été réalisés sur les matériaux d'étude à différentes vitesses de traverse constantes puis dépouillés analytiquement. Les trois derniers chapitres de cette thèse sont consacrés à la caractérisation mécanique des matériaux par indentation. En premier lieu des simulations numériques de l'essai d'indentation conique ( =70,3°) à une vitesse de pénétration constante ( = 1 µm/s) ont été effectuées à partir des paramètres de la loi de G'sell modifiée et de la loi puissance identifiés par compression. L'identification par analyse inverse des paramètres de la loi de G'sell modifiée à 7 paramètres sur des courbes pseudo-expérimentales nous a permis de confirmer la non unicité de la solution. Ainsi, nous avons effectué l'étude théorique de l'indentation sur des matériaux pseudo-expérimentaux en utilisant la loi puissance. Un nouveau concept de déformation représentative et de vitesse de déformation représentative, basé sur l'analyse du domaine de solution regroupant l'ensemble des paramètres donnant les mêmes courbes d'indentation, a été proposé. La procédure d'identification des paramètres de la loi puissance par indentation utilisant ce concept de déformation représentative et de vitesse de déformation représentative, appliquée sur un matériau pseudo-expérimental donne des résultats très satisfaisants. Sur les matériaux d'étude en revanche la méthode n'a pu révéler son potentiel puisque la loi de comportement de ces matériaux n'est pas correctement modélisée par une loi puissance sur une large plage de déformation et de vitesse de déformation. Enfin, le concept de déformation représentative et de vitesse de déformation représentative proposé dans ce travail apporte de nouveaux outils d'analyse et d'exploitation des données de l'indentation et offre des perspectives très intéressantes

Etude du comportement mécanique du Polycarbonate par indentation conique

International audienceLe Polycarbonate est un polymère amorphe beaucoup utilisé dans le domaine industriel du fait à la fois de sa transparence et de sa résistance aux chocs. Malgré cela, les modèles de comportement proposés dans la bibliographie [1,2 et 3] ne sont souvent applicables que pour des essais uni axiaux simples. Ainsi, nous avons utilisé le modèle de comportement de G'sell beaucoup cité dans la bibliographie pour simuler l'indentation conique avec un indenteur de demi-angle respectif θ = 80° et θ = 70,3°. La loi de G'sell ne prenant pas en compte la partie élastique ; nous l'avons modifiée en ajoutant un terme élastique linéaire qui influe beaucoup sur la réponse en indentation des matériaux. La courbe d'indentation obtenue par simulation numérique de l'essai d'indentation par la méthode des éléments finis en utilisant la loi de G'sell donne une courbe un peu plus raide que celle obtenue expérimentalement, dans les mêmes conditions. Cependant, si la loi de G'sell modifiée semble très bien modéliser le comportement en indentation dans la partie chargement, elle conduit à une courbe de déchargement bien différente de celle obtenue expérimentalement. Certains phénomènes, non pris en compte dans la loi de G'sell, semble avoir une grande influence sur le retour élastique après indentation. Dans ce travail, plusieurs modèles de comportement sont utilisées pour simuler l'essai d'indentation et les résultats seront discutés. Figure 1: Comparaison entre la courbe contrainte-déformation obtenue par essai de compression et celle obtenue par différents modèle

Study of the strain rate effect of polymeric material using indentation test

L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de la vitesse de déformation sur la réponse par indentation des matériaux. Les matériaux polymères thermoplastiques, notamment le Polycarbonate (PC), le Polyméthylméthacrylate (PMMA), le Polyéthylène à Haute Densité (PEHD) et le Polyamide Nylon 6.6 renforcé à 30% de fibres de verres (PA 6.6-30% GFR), ont été choisis comme matériaux d'études en raison de leur forte sensibilité à la vitesse de déformation même à température ambiante. Les deux premières parties de ce travail sont focalisées sur l'étude du comportement thermomécanique des matériaux polymères. Une étude bibliographique sur des matériaux polymères thermoplastiques, amorphes et semi-cristallins, a été effectuée afin de comprendre leur microstructure et leur mécanisme de déformation. De plus, des essais de compression simple ont été réalisés sur les matériaux d'étude à différentes vitesses de traverse constantes puis dépouillés analytiquement. Les trois derniers chapitres de cette thèse sont consacrés à la caractérisation mécanique des matériaux par indentation. En premier lieu des simulations numériques de l'essai d'indentation conique ( =70,3°) à une vitesse de pénétration constante ( = 1 µm/s) ont été effectuées à partir des paramètres de la loi de G'sell modifiée et de la loi puissance identifiés par compression. L'identification par analyse inverse des paramètres de la loi de G'sell modifiée à 7 paramètres sur des courbes pseudo-expérimentales nous a permis de confirmer la non unicité de la solution. Ainsi, nous avons effectué l'étude théorique de l'indentation sur des matériaux pseudo-expérimentaux en utilisant la loi puissance. Un nouveau concept de déformation représentative et de vitesse de déformation représentative, basé sur l'analyse du domaine de solution regroupant l'ensemble des paramètres donnant les mêmes courbes d'indentation, a été proposé. La procédure d'identification des paramètres de la loi puissance par indentation utilisant ce concept de déformation représentative et de vitesse de déformation représentative, appliquée sur un matériau pseudo-expérimental donne des résultats très satisfaisants. Sur les matériaux d'étude en revanche la méthode n'a pu révéler son potentiel puisque la loi de comportement de ces matériaux n'est pas correctement modélisée par une loi puissance sur une large plage de déformation et de vitesse de déformation. Enfin, le concept de déformation représentative et de vitesse de déformation représentative proposé dans ce travail apporte de nouveaux outils d'analyse et d'exploitation des données de l'indentation et offre des perspectives très intéressantes.The aim of this thesis is to study the strain rate effects through materials response from indentation test. Polymeric solid material, especially Polycarbonate (PC), Polymethyl methacrylate (PMMA), High Density Polyethylene (HDPE) and Polyamide Nylon 6.6 -30% glass fiber reinforced (PA 6.6-30% GFR), were selected as study materials due to their high strain rate sensitivity even at room temperature. The first two parts of this work were focused on the study of the thermomechanical behavior of polymer materials. Bibliographical studies of thermoplastic polymer materials, amorphous and semi-crystalline, was established in order to understand their microstructure and deformation mechanism. Moreover, compression tests were performed on study materials with several crosshead speeds values then the results was exploited analytically. The last three parts were focused on mechanical characterization using Instrumented Indentation Test (IIT). Firstly, numerical simulation of a conical indentation test ( =70.3°) with a constant rate displacement ( = 1 µm/s) was established using the identified G’sell behavior parameters and the power-law parameters from compression test. Parameter identification using Inverse Analysis from numerical material shows the non-uniqueness of G’sell parameters which gives the same indentation curve. Thus, theoretical study of conical indentation test was established considering power-law model. A new concept of the representative strain and the representative strain rate, based on solution domain which associate the set of parameters leading to the same indentation curves, was proposed. Very satisfactory results was obtained when identification process using this average representative strain rate is applied to a numerical material define by a power-law model. However, this method could not show its efficiency because the mechanical behavior of the real material is not correctly modeling with a power-law at a wide range of strain and strain rate. Finally, the new concept of the representative strain and the representative strain rate proposed on this work contributes to a new investigation tools to exploit the results form IIT and provide a very interesting perspectives

Identification des mécanismes d’endommagement du Pemd sollicité en compression

International audienc

Caractérisation expérimentale des mécanismes d'endommagement du polyéthylène moyenne densité (PEMD) sollicité en fatigue par compression

International audienc

Formulation of a representative plastic strain and representative plastic strain rate by using a conical indentation on a rigid visco-plastic material

International audienceThe indentation test consists in pressing an indenter on the surface of a tested material and in measuring continually the load F in function of the displacement h of the indenter. In order to analyse the indentation curve F(h) and extract material properties, one method among others uses the notion of the representative strain. The first aim of this paper is to investigate a new concept of a representative plastic strain as well as a new concept of a representative plastic strain rate. The second aim is to couple the effect of work hardening and strain rate to define the corresponding representative plastic strain and the corresponding representative plastic strain rate. We show that there are respectively two representative plastic strains and a plastic strain rate: the former obtained using the hardness of indentation and the latter obtained using the loading curve. Then, it is shown that the values of the representative strain and of the strain rate depend on the material behavior and its constitutive parameters

FORMULATION DE DEFORMATION REPRESENTATIVE ET DE VITESSE DE DEFORMATION REPRESENTATIVE PAR INDENTATION CONIQUE

National audienceParmi les méthodes utilisées pour exploiter les résultats d'un essai d'indentation instrumentée se trouve la notion de déformation représentative, initialement introduite par Tabor. Dans ce travail, une nouvelle expression de la déformation représentative ainsi que de la vitesse de déformation représentative pour un comportement élastique visco-plastique sont proposées. La formulation a été établie en utilisant une loi de type Puissance

Formulation de déformation représentative et de vitesse de déformation représentative par indentation sphérique

National audienceOne concept among many others used to exploit instrumented indentation test is the representative strain. In this work, numerical analysis was performed in order to extend the concept of representative strain to a representative strain rate for an elastic-visco-plastic material. It is shown that the proportionality with the ratio is no longer verified, in contrast to conical indentation. Moreover, using inverse analysis with two indentation curves defined by two penetration rates is accurately sufficient to determine properly the reference parameters in the case of a pseudo-numerical material.La déformation représentative est une des notions utilisées pour exploiter les résultats d’un essai d’indentation instrumentée. Dans ce travail, nous avons effectué une analyse numérique pour étendre le concept de déformation représentative à une vitesse de déformation représentative en indentation sphérique pour un matériau pseudo-numérique élasto-viscoplastique. Il est montré que la vitesse de déformation représentative, contrairement à celle obtenue par indentation conique, n’est plus proportionnelle à . De plus, l’utilisation de 2 courbes d’indentation à 2 vitesses de pénétration dans la procédure d’identification par analyse inverse est suffisante pour trouver la solution exacte dans le cas d’un matériau pseudo-numérique défini par une loi de type Hollomon