Résumé : L'objectif de ce travail est l'analyse du comportement en fatigue d'un composite à matrice en polypropylène et fibres de verre courtes (type E) obtenu par le procédé d'injection. Les courbes de Wöhler sont tracées pour les critères de fin d'essais, N10, N20 Nous avons relevé les mécanismes de dégradation en temps réel lors des essais de fatigue et nous avons essayé de relier ces mécanismes aux interfaces générées par le procédé. Mots clés : Composite, Polypropylène, Statique, Fatigue, Rigidité, Mécanisme

DJEBBAR, Arezki

LARBI, Said

SALVIA, Michelle

I-Revues

20ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011
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Comportement en flexion de matériaux composites à
fibres courtes
A. Djebbar a, M. Salviab , S.Larbi a
a. Laboratoire de Mécanique, Structure, Energétique (L.M.S.E), Faculté du Génie de la
Construction, Département de Génie Mécanique, Université de
Tizi-Ozou (Algérie).
b. Département L.T.D.S, Ecole Centrale de Lyon, 36 avenue guy de Colongue, Lyon
(France).
Résumé :
L’objectif de ce travail est l’analyse du comportement en fatigue  d’un composite à matrice  en
polypropylène et  fibres de verre courtes (type E) obtenu par le procédé d’injection. Les courbes de
Wöhler sont tracées  pour les critères de fin d’essais, N10, N20 Nous avons relevé les mécanismes de
dégradation en temps réel lors des essais de fatigue et nous avons essayé de relier ces mécanismes aux
interfaces générées par le procédé.
Mots clés : Composite, Polypropylène,  Statique,  Fatigue,  Rigidité, Mécanismes.
Abstract:
The objective of this work is the analysis of the fatigue behavior of a composite with matrix out of
polypropylene and short glass fibers (standard E) obtained by the process of injection. The curves of
Wöhler are plotted for the criteria of end of tests, N10, N20. We raised the mechanisms of degradation
in real-time during the fatigue tests and we tried to connect these mechanisms to the interfaces
generated by the process.
Key words: Composite, Polypropylene, Statics, Fatigue, Rigidity, Mechanisms
1. Introduction
Les composites à fibres de verre discontinues renforçant une matrice en polypropylène, ont
connu de nombreuses applications ces der de nières années, notamment dans le domaine de l’industrie
automobile et celui de  l’aérospatiale. Une grande attention porte sur l’étude de ces matériaux vue leur
application principale d’absorbeur d’énergie et ce dans une perspective à la fois économique et
scientifique, à savoir un gain de poids, de coût des structures et une fiabilité de comportement à long
terme. Une étude a démontré que selon l’orientation des fibres, les composites à matrice
polypropylène présentent un meilleur comportement à la fatigue, soit supporter des déformations
importantes dans le sens transversal, soit une bonne résistance à la fatigue dans le sens longitudinal.
Plus particulièrement, cette étude délimitait quatre zones de variation des propriétés à partir de
l’orifice d’injection latéral [1]. Cette conclusion conforte nos résultats présentés dans la partie
expérimentale
L’objectif de notre étude est de soumettre le matériau obtenu également par le procédé d’injection
moulage, avec l’orifice d’injection se situant au centre des plaques composites aux tests statiques  et
aux essais de fatigue en flexion.
1.1. Orientation des fibres
Le procédé d’injection pour l’obtention des structures composites à fibres courtes se
présentent avec l’orifice d’injection se trouvant à l’extrémité (fig.1) ou au centre des plaques. La
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figure 1, représente l’orientation mesurée dans une plaque en polypropylène renforcée à 30% en fibres
de verre discontinus de 4mm d’épaisseur [1].
Fig.1. Orientation dans une plaque renforcée par 30% de fibres de verre
Les fibres sont principalement disposées parallèlement au plan de la pièce. Prés de l’orifice d’injection
(zone1), on constate l’existence de zone de cœur dans laquelle les fibres sont fortement alignées
perpendiculairement à la direction de l’écoulement. Cela est dû au divergent que constitue la zone
d’entrée. Au-delà de l’entrée (zone2), en peau les fibres tendent à s’orienter parallèlement à la
direction de l’écoulement  en raison du cisaillement qui prédomine. Cette structure cœur - peau (fig.2),
se trouve très souvent dans les pièces injectées (micrographie a et b) [2].
a)- vue dans l’épaisseur de la pièce b)- vue dans le plan de la pièce
Fig.2. Observation de l’orientation des fibres.
2. Matériaux
Le composite formé d’une matrice thermoplastique (PP), renforcée par des fibres de verre E
discontinues (40% en masse), le taux du renfort est obtenu par une perte au feu. Les éprouvettes de
dimensions (15x100x4) mm3 sont découpées dans une plaque réalisée par injection moulage sous
forme de plaques de dimensions (600x200x4) mm3. Le point d’injection se trouvant au centre du
moule (fig. 3).Nous définissant une zone 1 située près du centre d’injection et au-delà une zone 2.
Fig.3. Prélèvement des éprouvettes d’essai longitudinales (L) et transversales (T)
T Orifice d'injection L
L
200µm
T
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3. Caractérisation mécanique du matériau
3.1. Comportement à rupture en flexion monotone
Les caractéristiques mécaniques du STAMAX sollicité dans les sens longitudinal et
transversal obtenus, seront utilisées à la définition des paramètres du cycle de fatigue. Au-delà de ces
caractéristiques mécaniques, nous avons suivi l’endommagement en flexion statique afin de mieux
choisir les niveaux de déformations de l’essai de fatigue. Rappelons que les essais ont été réalisés avec
une valeur de L/h = 20 (Distance entre appuis/épaisseur) et à une vitesse de déplacement de la panne
de 2 mm/ min.  Les valeurs moyennes sur six éprouvettes  pour le STAMAX sens longitudinal des
fibres et le STAMAX  sens transversal des fibres sont  récapitulés dans le tableau.1
Comme le montre la figure 4, le comportement à rupture en flexion du composite
verre/polypropylène, nous  relevons que les courbes d’essais statiques de flexion trois points
obtenues pour les deux directions (fig.4 - a et b),  nous permettent de distinguer  trois zones ; une
zone linéaire correspondant au comportement élastique du matériau, puis une deuxième non linéaire
associée à l’apparition de la déformation plastique et une zone de rupture. Les caractéristiques
mécaniques calculées, montrent que le procédé utilisé génère une certaine anisotropie du matériau.
D’autres résultats associés au mode de sollicitation sont détaillés dans [3].
Tableau.1. Caractéristiques mécaniques en flexion 3 points.
Référence matériau
Module d’Young
E (GPa)
Contrainte à la
rupture ϬR (MPa)
Déformation
longitudinale maximal εr
en %
STAMAX sens
longitudinal
5.4 +/- 0.45 129.1 +/- 0.5 3.1 +/- 0.31
STAMAX sens
transversal
2.5 +/- 0.17 62 +/- 3.2 4.8 +/- 0.5
On remarque que, le module du STAMAX sens longitudinal est logiquement supérieur au
module du STAMAX sens transversal des fibres.
3.2. Comportement en flexion cyclique
La caractérisation en fatigue du matériau du STAMAX dans le sens longitudinal et
transversal des fibres se fera d’une part par le tracé de la courbe de Wolher  d’autre part par l’analyse
de l’endommagement du matériau à différents niveaux de sollicitation. L’étude en fatigue du matériau
STAMAX se fera aux niveaux de sollicitations à rupture suivants : 40%, 50% et 60% de r mesuré en
conditions monotones. Ces niveaux ont été choisis à partir des observations précédentes : 40 et 50 % r
domaine élastique ; 60 % r début de l’endommagement. Les essais ont été effectués à R = 0.2, à la
fréquence de 25Hz et le rapport L/h = 20. Les courbes de perte de raideur (fig.5), (fig. 6), sont tracées
afin de déterminer les valeurs permettant de tracer les courbes de Wöhler, elles permettent aussi
d’évaluer l’endommagement du matériau.
Fig..4.  Courbes  de flexion statique  du STAMAX sens longitudinal (a) et transversal (b)
(a) (b)
ε(%)
0
40
80
120
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
ε (%)
Ϭ (MPa)
20
40
60
80
0 1 2 3 4 5 6
Ϭ (MPa)
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3.2.1. Courbes d’endurance.
Nous remarquons que dans les deux cas, les courbes d’endurance (fig.7) sont des droites
conformément aux résultats classiques observés dans  [4], [5], [6]. Les équations des droites
peuvent être présentées par : εmax = A – B.logNx et sont données dans le tableau 2.
Tableau. 2. Equations des courbes d’endurance et valeurs de A et B pour les critères N10 et N20
Matériau sens Critère N10 Critère N20
STAMAX
Longitudinal (L) εmax = 3,44 –LogN10 εmax =3,0 – 0,32 LogN20
Transversal (T) εmax = 5,25 – LogN10 εmax =4,92 – 0,76LogN20
Les échantillons découpées dans le sens transversal présentent une résistance faible  à l’accumulation
des  efforts (B grand), mais pouvant subir  des amplitudes de déformation importantes (A grand). En
revanche dans le sens longitudinal, il y aura rupture progressive des fibres. La propagation du
dommage est ensuite ralentie, cela permet d’obtenir une amélioration  du comportement du matériau
aux sollicitations cycliques (B faible). On peut remarquer que les courbes à différents critères de durée
de vie ne sont pas parallèles. Dans le but de comprendre ces résultats nous avons visualisé au
microscope optique les zones de rupture des éprouvettes aux différents niveaux de déformation. Les
micrographies ci-dessous présentent l’endommagement en fin d’essai au niveau de la fissure pour les
éprouvettes  des zones 1 et  2.
Fig. 7. Courbes de Wöhler de perte de raideur N10, N20, sens longitudinal des fibres
0
0,4
0,8
1,2
1,6
2
1 100 10000 100000
0LogN
D
efo
rm
atio
n
m
a
x
 (%
)
Fig.6. Courbes de la  perte de raideur du Stamax sens
travers des fibres en flexion 3 points.
Fig. 5. Courbes de la  perte de raideur du
Stamax sens longitudinal des fibres en flexion 3
points
0
40
80
100
1 100 1000 Log N
P/Po (%)
Zone 1
60 %
( (
(***);50 %
(
(** *);
)**40 % (***)
deformation à rupture
Zone 2 60 % (***);
50 %(***); 40 %(***)
0
20
60
1 100 1000
0
10000
00 Log N
Zone 1
60 %(***); 50 %
(***)40 %(***);)
Zone 2
60 % (***); 50 %
(***); 40 %(***)P/Po (%)
deformation à rupture
100
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3.2.2. Microfractographie des facies de rupture.
Les propriétés des zones1 et 2 des plaques apparaissant jusqu'à ce niveau peu différentiables
lors des essais de fatigue, nous allons analyser au M E B les faciès de rupture du STAMAX sens
longitudinal et sens transversal des fibres dans les zones 1 et 2 dans le but de détecter des éventuelles
différences au niveau des faciès de rupture. Par ailleurs, le MEB nous permet d’évaluer la bonne
mouillabilité des fibres de verre dans le polypropylène.
La micrographie (fig.8), présente le faciès de rupture des éprouvettes de sens longitudinal de
la zone 1 de la plaque. On remarque une orientation globale des fibres dans le sens longitudinal, la
grande déformation de la matrice entre les fibres et un peu de matrice résiduelle à la surface des fibres,
caractéristique d’une interface moyenne. On note de nombreuses fibres cassées.
La micrographie (fig.9) présente le faciès de rupture des éprouvettes dans les sens,
longitudinal découpées dans la zone 2 de la plaque. On peut noter comme auparavant une grande
déformation de la matrice polypropylène, une orientation globale des fibres dans le sens longitudinal
et de la matrice sur la surface des fibres. De nombreuses fibres rompues sont à noter. Les faciès de
rupture des éprouvettes des zones 1 et 2 du STAMAX sens longitudinal des fibres présentent tous
deux les mêmes dommages, ils  sont donc similaires, ce qui explique que la dispersion des courbes de
raideur est peu liée à la zone où sont prélevées les éprouvettes.
Les faciès de rupture de l’éprouvette la zone 2 du sens transversal des fibres montre une grande
déformation de la matrice, des surfaces de fibres quelque peu recouvertes par des fragments de
matrice, et de nombreuses ruptures de fibres. Les faciès de rupture des éprouvettes des zones 1 et 2,
présentent  les mêmes particularités. On peut dire qu’ils sont similaires. En effet les observations des
micrographies permettent de bien expliquer les résultats trouvés en sollicitations monotones, dont le
Fig. 9. Micrographies zone2, sens longitudinale.
Fig. 8. Micrographies zone1 sens longitudinale
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comportement est gouverné par la matrice dans le sens transversal, ou la contribution des fibres est
prépondérantes dans le cas des éprouvettes découpées dans le sens longitudinal.
3.2.3. Diagrammes de Weibull
La représentation de la dispersion des résultats a été faite par le tracé du diagramme de
Weibull. La figure 10, ci-dessous, présentent les diagrammes de Weibull à 10% et 20% de perte de
raideur pour des niveaux de déformation (εmax ) de 60, 50 et 40% εr . Nous notons une dispersion peu
différente d’un niveau à l’autre pour le critère N10 (fig.10 - a). La figure (10 – b) présente les
diagrammes de Weibull à 20% de perte de raideur, une tendance à la diminution de la dispersion avec
le niveau de déformation est relevée.
4. Conclusion
En effectuant une comparaison entre les deux diagrammes de Wöhler à 10%et  20%, de
chute de rigidité, on remarque que la propagation de l’endommagement se fait plus lentement dans le
cas des composites longitudinaux (paramètre B de la courbe d’endurance). En effet, le mécanisme
d’endommagement est gouverné par la rupture progressive des fibres (mécanisme d’endommagement
cumulatif). Cependant les déformations supportées par le matériau longitudinal (paramètre A) sont
beaucoup plus faibles en particulier si on travaille dans le domaine oligocyclique. On devra en tenir
compte dans des applications industrielles. En outre, il semble que le comportement en fatigue est peu
influée par la position du matériau par rapport au point d’injection.
5. Références
[1] M. Vincent ; « Orientation des fibres courtes dans les pièces en thermoplastique renforcé» ;
AM3729 -2003.
[2] A. Pegoretti; T. Riccό, « Fatigue crack propagation in polypropylene reinforced with short glass
fibres» D. M. E Trento Elsevier, 1999.
[3] A. Djebbar, M. Salvia, M. Djelil, « Etude du comportement mécanique d’un matériau composite à
fibres    courtes sollicité par flambement » ; Matériaux & Techniques 97, 189-200 (2009).
[4] S.Tamboura, H.Sidhom, D.Baptiste, J.Fitoussi, « Evaluation de la ténue en fatigue du composite
SMC R42», Matériaux et Techniques, N° 3-4-2001.
[5] J. Zhou and al, Applied Composites Materials 1, 183-195, 1994.
[6] K. Zhu; S.Schmauder, «Prediction of the faillure properties of short fiber reinforced composites
with metal and polymer matrix». M. P. A. Stuttgart : Elsevier, 2003,
Fig.10. Diagrammes de Weibull sens transversal des fibres pour une  chute de rigidité de
10 % (a) et 20 % (b)  à différents niveaux de déformation.
-1,2
-1
-0,4
0
0,2
0,6
2 2,4 2,8 3,2Log10(N)
εmax = 50%
m = 7, 30
 
εmax = 40%
m = 6, 41
(a)
εmax = 60%
m = 5, 80
log
10 (
-Ln
 (1
-P))
-1,2
-0,4
0
0,6
2 2,5 3,5 4,5
Log10(N)
log
10 (
-Ln
 (1
-P))

εmax = 50%
m = 5, 04 εmax = 40%
m = 2, 80
(b)
εmax = 60%
m = 2, 91
r


Comportement en flexion de matériaux composites à fibres courtes

http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/2042/46649/1/cfm2011_1210.pdf

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