Certains composants aéronautiques peuvent voir apparaître des fissures de fatigue en raison des sollicitations survenant en service. Une alternative au remplacement des pièces endommagées est de coller un patch composite dans les zones les plus sollicitées afin de les soulager. Ce travail présente une investigation du comportement en fatigue d'éprouvettes en aluminium 2024-T3 renforcées par patchs composites. Tout d'abord l'influence du fraisage du patch composite en terme de durée de vie est examinée puis une étude sur le comportement des éprouvettes renforcées à différents niveaux de chargement est réalisée. Le but est à la fois d'étudier le gain en terme de durée de vie de l'éprouvette renforcée et de déterminer lequel des trois éléments de la structure (patch composite, colle ou aluminium) provoque la rupture par fatigue de l'ensemble

BALANDRAUD, Xavier

GRÉDIAC, Michel

PASTOR, Marie-Laetitia

ROBERT, Jean-Louis

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.International audienceCertains composants aéronautiques peuvent voir apparaître des fissures de fatigue en raison des sollicitations survenant en service. Une alternative au remplacement des pièces endommagées est de coller un patch composite dans les zones les plus sollicitées afin de les soulager. Ce travail présente une investigation du comportement en fatigue d'éprouvettes en aluminium 2024-T3 renforcées par patchs composites. Tout d'abord l'influence du fraisage du patch composite en terme de durée de vie est examinée puis une étude sur le comportement des éprouvettes renforcées à différents niveaux de chargement est réalisée. Le but est à la fois d'étudier le gain en terme de durée de vie de l'éprouvette renforcée et de déterminer lequel des trois éléments de la structure (patch composite, colle ou aluminium) provoque la rupture par fatigue de l'ensemble

Pastor, Marie-Laetitia

Balandraud, Xavier

Grédiac, Michel

Robert, Jean-Louis

HAL Clermont Université

Etude du comportement en fatigue d'éprouvettes en aluminium renforcées par patchs composites

I-Revues

18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
Etude du comportement en fatigue d’éprouvettes en aluminium              
renforcées par patchs composites 
 
Marie-Laetitia Pastor, Xavier Balandraud, Michel Grédiac & Jean-Louis Robert 
 
Laboratoire de Mécanique et Ingénieries (LaMI) 
Université Blaise Pascal (UBP) 
Institut Français de Mécanique Avancée (IFMA) 
IUT de Montluçon, Avenue Aristide Briand, BP 2235 
03100 MONTLUCON - FRANCE 
Email: pastor@moniut.univ-bpclermont.fr 
 
 
 
 
Résumé : 
 
Certains composants aéronautiques peuvent voir apparaître des fissures de fatigue en raison des 
sollicitations survenant en service. Une alternative au remplacement des pièces endommagées est de 
coller un patch composite dans les zones les plus sollicitées afin de les soulager. 
Ce travail présente une investigation du comportement en fatigue d’éprouvettes en aluminium 2024-T3 
renforcées par patchs composites. Tout d’abord l’influence du fraisage du patch composite en terme de 
durée de vie est examinée puis une étude sur le comportement des éprouvettes renforcées à différents 
niveaux de chargement est réalisée. Le but est à la fois d’étudier le gain en terme de durée de vie de 
l’éprouvette renforcée et de déterminer lequel des trois éléments de la structure (patch composite, colle 
ou aluminium) provoque la rupture par fatigue de l’ensemble.  
 
Abstract: 
 
Fatigue cracks may appear in aeronautic components because of variable amplitude loadings they 
sustain. An alternative to replacement of damaged parts is to bond composite patches on the critical zone 
in order to decrease the local high stress level. This work presents an investigation of the fatigue 
behaviour of 2024-T3 aluminium specimens reinforced by composite patches. First the influence of 
milling the composite patch in terms of lifetime is examined. Then the behaviour of the reinforced 
specimens at different loading levels is studied. The aim is first to study the benefit of reinforcement in 
terms of lifetime and then to determine which of the three materials of the reinforced structure (composite 
patch, adhesive or aluminium) causes the failure of the specimens. 
 
Mots-clefs :  
 
Fatigue, renforcement, patch composite. 
 
1 Introduction 
 
Les patchs composites sont actuellement très largement utilisés pour réparer des pièces 
métalliques (Backer et al. (1998), Backer et al. (2002)). En aéronautique, pour des raisons 
évidentes de sécurité, une pièce endommagée se doit d’être remplacée avant toute défaillance, 
ce qui peut entraîner des coûts très élevés. Une autre solution consiste à réparer une pièce 
endommagée sans la changer. Enfin une alternative à la réparation est le renforcement préventif 
par patchs composites. Ces derniers permettent de soulager une zone fortement sollicitée en 
réorientant le flux des efforts (une partie d’entre eux transite par le patch, ce qui fait diminuer 
ceux qui demeurent dans la pièce renforcée). Au niveau du comportement en fatigue, cela se 
traduit par un retard à l’amorçage d’une fissure. Ainsi les patchs composites sont utilisés non 
1 
18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
plus seulement comme un moyen de réparation mais comme un renforcement préalable des 
structures. L’efficacité du renfort dépend évidemment du nombre de plis du patch composite 
(Toudeshky et al. (2005)), de sa forme (Mathias et al. (2006)) ou de sa taille (Chung et al. 
(2003)) par exemple… En résumé, coller un patch composite a pour objectif de dévier 
partiellement le trajet des efforts ce qui permet de réduire le niveau de contrainte dans la zone 
critique et donc d’augmenter sa durée de vie (Mathias et al. (2006)).   
Le travail proposé ici porte sur la caractérisation du comportement en fatigue d’éprouvettes 
en aluminium 2024-T3 renforcées par patchs composites. La première partie concerne l’étude 
de l’influence du mode de découpe du composite en terme de durée de vie. A cet effet, deux 
formes de patchs composites ont été testées. Le patch composite offrant le meilleur gain en 
terme de durée de vie est alors considéré dans la suite de l’étude. La seconde partie concerne 
l’augmentation de la durée de vie d’éprouvettes renforcées. Des essais de fatigue à différents 
niveaux de chargements ont été menés pour quantifier l’effet désiré. Une étude de l’influence du 
pré-endommagement des éprouvettes avant renforcement en terme de durée de vie est en cours 
afin de compléter ce travail.  
 
2 Protocole expérimental 
 
Les éprouvettes sont découpées par jet d’eau dans des tôles en aluminium 2024-T3 selon la 
norme ISO 1099 (ISO (1975)). Pour éviter un état de surface dégradé et trop variable, les 
éprouvettes sont ensuite fraisées (voir Figure 1). Lorsque les éprouvettes sont renforcées, les 
patchs composites sont collés avant le fraisage de l’éprouvette. 
 
Eprouvette  A 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG. 1 – Géométrie des éprouvettes en aluminium non renforcées (Eprouvette A). 
 
Les éprouvettes en aluminium sont renforcées sur leurs deux faces par des patchs 
composites à trois plis. Le composite est du pré-imprégné carbone/époxy et la colle est de type 
Redux 312 fournie par Hexcel. Les fibres sont toutes orientées à 0°, c’est-à-dire dans l’axe de 
l’éprouvette. Deux formes de patch composite sont testées (voir Figure 2). Les patchs 
composites sont collés avant le fraisage de finition de l’éprouvette en aluminium. Les 
éprouvettes B présentent des patchs composites rectangulaires de largeur égale à celle de la 
section minimale de l’éprouvette et les éprouvettes C ont des patchs qui les recouvrent jusqu’à 
leur bord latéral. Les patchs composites des éprouvettes B ne subissent donc pas le fraisage, 
tandis que ceux des éprouvettes C sont fraisés en même temps que le substrat en aluminium. 
Les éprouvettes A sont soumises au même traitement thermique que les éprouvettes 
renforcées. Ce traitement thermique correspond à un chauffage et un maintien pendant une 
heure à 120°C (cycle thermique nécessaire à la polymérisation de la colle). 
2 
18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
Les essais de fatigue sont réalisés à une fréquence de 30 Hz pour un rapport de charge nul 
(traction répétée).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Aluminium 
Patch composite 
Eprouvette C Eprouvette B 
FIG. 2 – Eprouvettes en aluminium renforcées par patchs composites (Eprouvettes B et C). 
 
3 Influence du fraisage du patch composite sur la durée de vie 
 
Six éprouvettes A sont testées afin d’étudier l’influence du traitement thermique sur la 
tenue en fatigue. Six éprouvettes B et C ont également été testées pour identifier l’influence du 
fraisage des patchs composites sur la durée de vie de la structure renforcée. Le même 
chargement est appliqué aux différentes éprouvettes afin de faciliter la comparaison.  
Le Tableau 1 donne les résultats expérimentaux obtenus ainsi que ceux établis 
préalablement pour les éprouvettes en aluminium non renforcées. 
 
Eprouvettes Contrainte 
maximale dans 
l’aluminium 
(MPa) 
Durée de vie 
expérimentale N1 
(cycles) 
Ecart-type 
(cycles) 
Durée de vie N2 selon 
la courbe S-N de 
l’aluminium sans 
traitement thermique    
(cycles) 
N2/N1
A 320 41 000 4 400 40 763 0,99 
B 190 385 780 150 346 795 220 2,06 
C 190 292 118 35 745 795 220 2,72 
Tab. 1 – Durées de vie obtenues pour les trois types d’éprouvettes                                           
pour un chargement de traction répétée à charge maximale de 11 500 N. 
 
Le ratio N2/N1 étant égal à un pour les éprouvettes A, il apparaît que le traitement 
thermique n’a pas d’influence sur les propriétés en fatigue des éprouvettes. Par contre le 
fraisage des patchs composites altère la résistance à la fatigue de l’éprouvette renforcée. La 
durée de vie des éprouvettes C, en effet, est plus faible de 25% que celle des éprouvettes B. 
Néanmoins les patchs composites améliorent dans tous les cas la durée de vie. Celle-ci est 9 et 7 
fois plus élevée pour les éprouvettes B et C respectivement que pour les éprouvettes non 
renforcées. 
Seules les éprouvettes B sont testées dans la suite de l’étude puisque ce sont celles qui 
conduisent au meilleur renforcement. 
La cinquième colonne du tableau 1 montre tout de même que les patchs composites ne 
renforcent pas le substrat en aluminium tout au long de la vie de ce dernier. Il suffit pour arriver 
à ce constat de considérer la courbe de Wöhler de l’aluminium. En effet, N2 est supérieur à N1. 
Une conclusion possible est que la colle rompt avant l’aluminium. Ce dernier n’est alors plus 
renforcé et supporte donc seul la totalité de l’effort.  
3 
18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
4 Essais de fatigue réalisés à différents niveaux de contraintes 
 
4.1 Eprouvettes renforcées 
 
Quinze éprouvettes sont testées en fatigue à trois différents niveaux de traction répétée : 
195 MPa, qui correspond à un chargement proche de la limite de fatigue à 5.105 cycles, 280 
MPa qui est une valeur se situant au milieu de la courbe S-N obtenue pour les éprouvettes 
d’aluminium vierge et 350 MPa qui est un chargement correspondant à un nombre de cycles peu 
élevé (2.104 cycles, fatigue oligocyclique).   
 
Les résultats expérimentaux obtenus sont représentés sur la Figure 3. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
155
205
255
305
355
405
455
505
100 1 000 10 000 100 000 1 000
000
10 000
000
Nombre de cycles
C
on
tr
ai
nt
e 
m
ax
i (
M
Pa
)
alu vierge (ép. rompues)
alu vierge (ép. non
rompues)
ép. patchées B rompues
ép. avec patch décollé
FIG. 3 – Comparaison et analyse des résultats entre les éprouvettes renforcées et non renforcées. 
 
Pour souligner l’effet bénéfique du renforcement, des triangles verts ont été reportés sur la 
figure 3 indiquant les mêmes résultats d’essais mais avec pour ordonnées les niveaux de 
contrainte obtenus en l’absence des patchs composites (ou lorsque ceux-ci sont décollés en fin 
d’essai). Les triangles verts sont situés à droite de la courbe S-N. C’est une façon de traduire le 
fait que les patchs composites renforcent bien les éprouvettes d’aluminium puisqu’ils rallongent 
leur durée de vie. Cependant, la figure 3 montre également qu’à contrainte identique dans le 
substrat en aluminium, les éprouvettes renforcées ont une durée de vie moins élevée que les 
éprouvettes non renforcées. Ceci est d’ailleurs d’autant plus vrai que le niveau de chargement 
est élevé. Ces observations signifient que les patchs composites ne restent parfaitement collés 
qu’une partie des essais de fatigue et se décollent avant la fin, ne participant plus alors au 
renforcement de la structure.  
 
Les ruptures de l’éprouvette renforcée lors des essais montrent bien que c’est la colle qui 
est à l’origine de la rupture (voir figure 4). En effet, les fibres des patchs composites ne rompent 
pratiquement jamais sous l’effet du chargement de traction longitudinale qu’elles subissent. 
 
 
 
4 
18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG. 4 – Rupture du patch composite. 
 
Etant donné que la colle cède avant la fin de l’essai de fatigue, des essais sur des 
éprouvettes déjà endommagées sont réalisés afin de vérifier si la colle demeure toujours 
l’élément critique de la structure renforcée. 
 
4.2 Eprouvettes pré-endommagées puis renforcées 
 
Deux lots de dix éprouvettes sont endommagés à une fraction de vie de 50 % ou de 75 % 
pour deux niveaux de chargement à savoir 195 MPa et 280 MPa (cinq éprouvettes dans chaque 
cas). Les éprouvettes sont ensuite patchées puis les essais sont repris jusqu’à rupture, en 
adaptant les niveaux maximums d’effort tels que les contraintes présentes au sein du substrat 
d’aluminium soient identiques à celles du préchargement (195 MPa et 280 MPa 
respectivement). 
 Les résultats expérimentaux obtenus pour les éprouvettes pré-endommagées à une fraction 
de vie de 75 % sont présentés sur la Figure 5. Les durées de vie indiquées sont celles de la 
seconde phase des essais, c’est-à-dire qu’elles ne comptabilisent pas le nombre de cycles du pré-
endommagement. On parle donc ici de durées de vie résiduelles des éprouvettes. 
 
175
225
275
325
375
425
1 000 10 000 100 000 1 000 000 10 000 000
Nombre de cycles
C
on
tr
ai
nt
e 
m
ax
i (
M
Pa
) ép. rompues (alu seul)
ép. non rompues (alu
seul)
ép. patchées B rompues
ép. avec patch décollé
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG. 5 – Durées de vie expérimentales résiduelles des éprouvettes endommagées (à 75%)       
puis renforcées 
5 
18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
Les éprouvettes pré-endommagées puis renforcées rompent au-delà de la durée de vie 
attendue pour l’aluminium vierge. La colle joue donc bien mieux son rôle dans le cas de 
structures déjà endommagées par fatigue puis renforcées, que dans le cas où le renforcement est 
réalisé sur le substrat en aluminium vierge. Le renforcement relatif en terme de durée de vie 
résiduelle est donc d’autant plus efficace que le niveau d’endommagement des éprouvettes 
renforcées est important. 
 
5 Conclusions 
 
Dans ce travail, le comportement en fatigue d’éprouvettes renforcées par patchs 
composites a été étudié. Premier élément d’étude, l’usinage des patchs composites par fraisage 
diminue sa résistance à la fatigue et par suite le renforcement préventif qu’ils génèrent. 
Le renforcement par patchs composites permet d’accroître la durée de vie des éprouvettes 
en fatigue. Le rapport d’augmentation de durée de vie dépend du niveau de contrainte appliqué 
au substrat. Pour les essais de fatigue réalisés, les éprouvettes rompent avant la durée de vie 
attendue pour le niveau de contrainte appliqué après renfort. Ainsi la colle est sûrement à 
l’origine de la rupture lorsque le chargement est trop élevé. Par contre les éprouvettes pré-
endommagées puis ensuite renforcées offrent une meilleure résistance à la fatigue, car la colle 
qui assure la liaison entre le substrat en aluminium et les patchs n’est ainsi sollicitée qu’une 
fraction de la vie totale de l’aluminium. 
 
Références 
 
Backer, A.A. & Jones, R. 1998 Bonded repair of aircraft structures. Martinus Nijhoff 
Publishers. 
Backer, A.A., Rose, L.R.F. & Jones, R. 2002 Advances in the bonded composite repair of 
metallic aircraft structures. Elsevier. 
Chung, K.H. & Yang, X.H. 2003 A study of the fatigue crack growth behaviour of thick 
aluminium panels repaired with a composite patch. Composite Structures. 60, 1-7. 
Hosseini Toudeshky, H., Sadeghi, G. & Daghyani, H.R. 2005 Experimental fatigue crack 
growth and crack-front shape analysis of asymmetric repaired aluminium panels with glass-
epoxy composite patches. Composite Structures. 71, 401-406. 
Mathias, J.D., Balandraud, X. & Grédiac, M. 2006 Applying a generic algorithm to the 
optimization of composite patches. Computers and Structures. 84, 823-834. 
Mathias, J.D., Balandraud, X. & Grédiac, M. 2006 Experimental investigation of composite 
patches with a full-field measurement method. Composites Part A. 37, 177-190. 
ISO 1099. 1975 Metallic materials, Fatigue testing, Axial force-controlled method. 
6 


Etude du comportement en fatigue d'éprouvettes en aluminium renforcées par patchs composites

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