L'objectif de ce travail est d'étudier la

            tenue d'un élastomère fluoro-carboné (FKM) en température. Différents essais mécaniques

            expérimentaux (traction et compression cyclés et relaxations) ont été réalisés à  des

            températures allant de -15 à 150°C pour étudier le comportement du matériau

AÏT HOCINE, Nourredine

LAURENT, Hervé

RIO, Gérard

VANDENBROUCKE, Aude

French

I-Revues

19 èmeCongr̀es Français de Ḿecanique Marseille, 24-28 aôut 2009
Caractérisation exṕerimentale d’un élastom̀ere en fonction de
la température
A. VANDENBROUCKE a , H. L AURENTa , N. A ÏT HOCINE b ,G. RIOa
a. Laboratoire d’Inǵenierie des MAT́eriaux de Bretagne, Université Euroṕeenne de Bretagne, Université de
Bretagne Sud (UBS), rue St Maudé, 56321 LORIENT cedex, FRANCE
b.Laboratoire d’Inǵenierie des MAT́eriaux de Bretagne, Université Euroṕeenne de Bretagne, Université de
Bretagne Occidentale (UBO), 6 av. Victor Le Gorgeu, 29238 BREST cedex3, FRANCE
Résuḿe :
L’objectif de ce travail est d’́etudier la tenue d’uńelastom̀ere fluoro-carbońe (FKM) en temṕerature. Diff́erents essais
mécaniques exṕerimentaux (traction et compression cyclés et relaxations) ont́et́e réaliśesà des temṕeratures allant de
−15◦C à 150◦C pour étudier le comportement du matériau.
Abstract :
The aim of this study is to investigate an (FKM) fluoro-carbonelastomer in temperature. Several experimental tests (tenile
and compression cyclic loadings and relaxations) have beenp rformed for a range of temperature from−15◦C to 150◦C
to examine the material behaviour.
Mots clefs : Elastomère, Essais ḿecaniques, Relaxation, Temṕerature
1 Introduction
De nos jours, les élastomères sont fréquemment utilisés dans beaucoup d’applications industrielles comme
l’automobile et l’aéronautique. Ces matériaux sont généralement sujets à de sévères chargements cycliques,
mécaniques et thermiques. Tous ces effets entraı̂nent unedégradation des performances du matériau pouvant
aller jusqu’à l’apparition de fissures et finalement à la rupture de la structure. Dans ce travail, nous nous
intéressons à l’influence de la température dans la tenuedes ´ lastomères.
Le problème du comportement mécanique des élastomèressous l’influence de la température n’est que par-
tiellement traité dans la littérature et peu de modèles sont ainsi proposés [1, 2, 3]. Ces modèles ne sont mal-
heureusement pas suffisamment robustes. Une des difficultés majeure rencontrée lors de l’établissement de
ces modèles réside dans l’identification expérimentaledes paramètres matériaux prenant rigoureusement en
compte les effets de la température [4, 5, 6, 7].
Dans cet article, plusieurs essais expérimentaux réalisés sur un élastomère à différentes températures sont
présentés. Ce travail experimental préliminaire doit permettre l’identification d’une loi de comportement ther-
momécanique pour ce type de matériau. L’idée consiste àintégrer les effets de la température dans un modèle
original phénoménologique d’hyper-visco-hystérésis existant, prenant en compte les effets hyperélastique, vis-
queux et hystérétique [8, 9]. Une première série d’essais à température ambiante, de traction, de compression
avec des cycles de charge-décharge et de relaxation est décrite. Ces essais ont ensuite été étendus aux basses
températures (jusqu’à−15◦C). Un essai original de relaxation au cours duquel la température évolue est fina-
lement proposé.
Le matériau étudié est un élastomère synthétique fluoro-carboné (FKM), le VitonR©. Cet élastomère possède
d’excellentes performances aux hautes températures et aux agressions chimiques. Ses propriétés dépendent de
la teneur en fluorine, des composés fluoro-élastomère et dla structure des réseaux des chaı̂nes de copolymère
[10, 11]. Ce matériau présente un comportement non-linéaire, visco-élastique dans les grandes déformations.
Sa température de transition vitreuseTg se situe autour de−19◦C.
2 Étude à température ambiante
Cette première série d’essais a été réalisée à temp´erature ambiante à l’aide d’une machine de traction INS-
TRON sous déformation contrôlée avec une cellule de1 kN . En traction, les déformations locales ont été
mesurées à l’aide d’une caméra vidéo. Les échantillons de traction sont des éprouvettes classiques de typeH2
(longueur=25mm, largeur=4mm et d’épaisseur=2mm). Les plots de compression sont cylindriques avec une
hauteur de25.5mm et un diamètre de18mm. L’utilisation d’un lubrifiant entre les plateaux de compression
1
19 èmeCongr̀es Français de Ḿecanique Marseille, 24-28 aôut 2009
a permis d’obtenir un état homogène de compression uniaxiale. Au moins trois essais ont été effectués pour
vérifier la reproductibilité des résultats et l’un d’entre eux a été choisi comme représentatif du comportement
du matériau.
2.1 Essais cycliques de charge/décharge
Ces essais ont été effectués à température ambiante avec une vitesse de déformation de3.3× 10−3 s−1 corres-
pondant à une vitesse de déplacement de5mm/min. Les essais cyclique en compression consistent à charger
et décharger successivement un échantillon trois fois desuit pour un taux de déformation de 30%. De la même
manière, d’autres essais ont été réalisés en imposantun cycle de charge-décharge en compression de 10%, puis
20% et finalement 30% (Fig. 1). Les mêmes essais ont été réalisés en traction jusqu’à 50% et comparés avec
des taux de 10%, 20%, 30%, 40% et 50% successivement imposésen traction. Pour ces essais, la réponse du
matériau est indiquée en contrainte nominale (force axiale, F , divisée par la section initiale) en fonction de
l’élongation (λ = L/L0, longueur/longueur initiale).
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
N
o
m
in
a
lS
re
ss
[M
P
a
]
Stretch [-]
30% in compression
10-20-30% in compression
50% in tension
10-20-30-40-50% in tension
FIG. 1 – Essais de traction et de compression cyclés pour différents taux de déformations imposés.
D’après la figure 1, l’élastomère présente un comportement visco-hyperélastique. Les courbes de contraintes-
élongations montrent un effet d’hystérésis significatif. Cette hystérésis est représentée par la zone comprise
entre le chargement et le déchargement. Au cours de chaque chargement de déformation d’amplitude constante,
le matériau s’adoucit jusqu’à un état quasi stationnaire présentant une boucle d’hystérésis constante (eff t Mul-
lins). La plupart de l’adoucissement se produit au cours du premier cycle de chargement, mais cet adoucisse-
ment est réduit comparé à d’autres élastomères sachant que cet adoucissement dépend également des taux de
déformations imposés [12, 13, 14, 15].
Une comparaison entre les essais en traction et en compression montre également que le matériau présente
un comportement non symétrique entre ces deux états de charge. La courbe avec les taux de déformations
successives de 10%-20%-30% en compression suit la courbe maı̂tr sse pour un taux de déformation de 30%. Le
même phénomène est observé pour l’essai de traction. Lemat´ riau n’est pas donc influencé par les sollicitations
intermédiaires.
2.2 Essais de relaxation
La viscosité du matériau est analysée à l’aide d’essaisde relaxation pour des sollicitations en compression
et de traction pour différents taux de chargement (Figs. 2 et 3 r spectivement). Pour ces essais, la vitesse de
déformation appliquée au cours de l’étape de chargementest de3.3×10−3 s−1. La relaxation en contrainte est
enregistrée durant900s pour les deux types d’essais. Sur ces courbes, nous utilisons la contrainte normalisée,
obtenue grâce au rapport :σnorm = σσmax où σmax est la contrainte maximum atteinte avant la phase de
relaxation. On remarque que les différents taux de chargement appliqués (20%, 30% et 40% en compression et
20%, 30%, 40% et 50% en traction) ont peu d’influence sur la réponse en relaxation du matériau.
2
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0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
N
o
m
a
liz
e
d
S
re
ss
[-
]
Time [s]
20%
30%
40%
FIG. 2 – Essais de relaxation en compression pour des taux de déformations de 20, 30 et 40% suivi d’un temps
de relaxation de900s.
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
N
o
m
a
liz
e
d
S
re
ss
[-
]
Time [s]
20%
30%
40%
50%
FIG. 3 – Essais de relaxation en traction pour des taux de déformation de 20, 30, 40 et 50% suivi d’un temps
de relaxation de900s.
3 Influence de la temṕerature
L’influence des basses températures sur les propriétés mécaniques de l’élastomère a été étudiée à l’aide des
mêmes types d’essais qu’à température ambiante. Pour les températures étudiées, nous avons utilisé la ma-
chine de traction INSTRON équipée d’une enceinte thermique régulée. Afin de vérifier l’homogénéité de la
distribution de la température, un échantillon témoin aété équipé d’un thermocouple en son centre. Les essais
ont été réalisés après un chauffage préalable de 1h30de l’enceinte thermique et un contrôle de la température
au sein de l’échantillon témoin.
3.1 Essais de charge/d́echarge en traction et en compression
Trois cycles de charge-décharge en traction et en compression ont été réalisés pour différentes températures.La
figure 4 montre que la réponse du matériau est non linéaire, dépendant de la température. Avec la diminution
de la température une rigidification du matériau se manifeste qui se caractérise par une forte augmentation de
la contrainte aux faibles déformations. Pour la température de−15◦C, la plus proche de la température de
transition vitreuse, on peut noter l’apparition d’un début de plateau qui pourrait s’apparenter à de la plasticité
du matériau. Ce comportement a été également constatépour les thermoplastiques en dessous de température
de transition vitreuse [16, 17]. Il faut aussi noter que la d´eformation obtenue à la fin de la décharge (en traction
ou en compression) augmente fortement avec la diminution dela température.
3.2 Essais de relaxation en temṕerature
Une série d’essais de relaxation en compression et en traction a été effectuée pour différentes températures
(Fig. 5). On constate une nette augmentation de la relaxation vec la diminution de la température pour les
deux types de relaxation (en compression et en traction).
3
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-15
-10
-5
0
5
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0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
N
o
m
in
a
lS
tr
e
ss
[M
P
a
]
Strech [-]
23◦C
0◦C
−8◦C
−15◦C
FIG. 4 – Essais de charge/décharge en traction et en compression pour des températures comprises entre23◦C
et−15◦C.
a)
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
100 200 300 400 500 600 700 800 9001000
N
o
rm
a
liz
e
d
S
tr
e
ss
[-
]
Time [s]
23◦C
0◦C
−8◦C
−15◦C
b)
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
300 400 500 600 700 800 90010001100
N
o
rm
a
lis
e
d
st
re
ss
[-
]
times [s]
23◦C
0◦C
−8◦C
−15◦C
FIG. 5 – Essais de relaxation pour des températures comprises entr 23◦C et−15◦C : a) en compression b) en
traction.
3.3 Essais de relaxation avec un cycle de température
a) b)
FIG. 6 – Dispositif de relaxation pour la réalisation de cyclesd température : a) Plateaux de compression
situés dans l’enceinte thermique, b) Cellule de force et capteur de déplacement placés à l’extérieur de l’enceinte
thermique.
Afin d’étudier l’influence de la température sur le comportement en relaxation, un essai original de relaxation
en compression avec un cycle de température a été réalisé (Fig. 6). Ce test permet de caractériser la viscosité du
matériau dans le cas où la température évolue au cours del’essai. Au cours de ce test, un plot de compression
est introduit dans une enceinte thermique. Il est chargé jusqu’à 30% de déformation entre deux plateaux de
compression équipés d’une cellule de force de1 kN . La cellule de force et le capteur de déplacement sont
placés en dehors de l’enceinte pour éviter toutes perturba ions de mesures liées aux températures imposées.
L’échantillon est sollicité pendant 1,5 jours avec des variations de température allant de−40◦C à +150◦C
comme indiqué sur la figure 7.
4
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0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 200000 400000 600000 800000 1e+06 1.2e+06
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
N
o
rm
a
liz
e
d
L
o
a
d
[-
]
Te
m
p
e
ra
tu
re
[
◦
C
]
Time [s]
Normalized load
Temperature
FIG. 7 –Évolution de la force pour un essai de relaxation en compression en fonction de la température
A la fin de la relaxation, le plot de compression présente uneperte de force non négligeable (trait pointillé)
résultant du passage à haute température. C’est le passage à haute température qui semble affecter le comporte-
ment du matériau. Ce phénomène pourrait être à l’origine des chutes d’étanchéité présentent, par exemple, dans
le cas d’un joint en caoutchouc dans un système hydrauliqueà haute pression subissant des cycles thermiques
de grandes amplitudes.
4 Conclusion
Dans cette étude, nous avons examiné le comportement mécanique d’un élastomère (le Viton) en fonction de la
température. Le matériau présente un comportement complexe de part ses propriétés de quasi-incompressibilité
et d’hystérésis. Différents essais expérimentaux ontété effectués en traction et compression pour des cyclesde
charge-décharge et en relaxation pour différents taux dedéformation.
A température ambiante, en traction et en compression, le mat´ riau n’est pas influencé par les déformations
intermédiaires. Le taux de déformation est indépendante sa réponse en relaxation. Ces essais ont été ensuite
réalisés pour des basses températures jusqu’à−15◦C. Pour des températures proches de laTg, une rigidifica-
tion du matériau apparaı̂t qui s’apparente au comportement des thermoplastiques. Un nouvel essai de relaxation
au cours duquel la température évolue, a montré également l’influence du passage aux hautes températures dans
le comportement de l’élastomère.
A partir de cette base de données expérimentale, une simulat on du comportement thermomécanique, utilisant
un modèle hyper-visco-hystérétique, est en cours. Les essais de relaxation pour les cycles de température à
forte amplitude seront particulièrement discriminants pour la validation de ce modèle.
Remerciement
Ce travail est financé par la région Bretagne sous le numéro 211-B2-9/ARED.
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6


Caractérisation expérimentale d'un élastomère en fonction de la

            température

Vandenbroucke, Aude

Laurent, H.

Hocine, N.A

Rio, G.

HAL Descartes

Caractérisation expérimentale d'un élastomètre en fonction de la température

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.International audienceL'objectif de ce travail est d'étudier la tenue d'un élastomère fluoro-carboné (FKM) en température. Différents essais mécaniques expérimentaux (traction et compression cyclés et relaxations) ont été réalisés à  des températures allant de -15 à 150°C pour étudier le comportement du matériau

Laurent, Hervé

Aït Hocine, Nourredine

Rio, Gérard

HAL-Université de Bretagne Occidentale

Caractérisation expérimentale d'un élastomère en fonction de la température

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