Etude expérimentale et analyse numérique de la rupture des polymères amorphes
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The present work consists in an experimental and numerical investigation of glassy polymer fracture which is brittle if early crazing takes place (for instance for PMMA) and ductile if failure is preceded by plastic deformation (as for polycarbonate). Plasticity develops by localisation of the deformation through shear bands and is associated to the specific constitutive law of amorphous polymers featuring an intrinsic softening beyond a yield stress followed by a progressive hardening as the deformation progresses. Crazing is described through a viscoplastic cohesive zone which accounts for initiation at a critical stress state, thickening of craze surfaces and fibrils breakdown with the creation of a crack locally. An experimental protocol to calibrate the overall parameters involved in the description is presented. It consists in uniaxial compression tests to characterize the material constitutive law while the identification of the terms involved in the cohesive zone description of crazing is derived from fracture tests. The resulting calibration allows simulations of fracture for different stress triaxialities which are in good agreement with experimental results. In particular, we show that the variations of toughness with the loading rate depend little on the craze initiation conditions for PMMA while it appears of major importance for polycarbonate. In both cases, it is necessary to identify accurately the kinetics of the craze thickening as well as the critical opening of the craze fibrils to predict the material toughness (Kic or Gic ) for a wide range of loading rates.
Abstract FR:
Cette thèse a été préparée au Laboratoire de Groupe d'Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux GEMPPM (UMR CNRS N° 5510) de L'INSA de Lyon. Ce travail consiste en une étude expérimentale et numérique de la rupture des polymères amorphes quiest fragile si le craquelage a lieu (par exemple pour le PMMA ) et ductile s'il est précédé d'une déformation plastique (comme pour le polycarbonate). La plasticité a lieu par localisation de la déformation en bandes de cisaillement et est associée à la loi de comportement avec un adoucissement intrinsèque au-delà d'un seuil de contrainte, suivi d'un durcissement à mesure que la déformation continue. Le craquelage est décrit à l'aide d'une zone cohésive viscoplastique qui tient compte des étapes d'amorçage pour un état de contrainte critique, d'élargissement des surfaces de la craquelure et de rupture des fibrilles avec la création d'une fissure localement. Un protocole expérimental pour calibrer l'ensemble des paramètres intervenant est présenté. Il consiste en la réalisation d'essais de compression uniaxiale pour caractériser la loi de comportement du matériau et d'essais de rupture pour identifier les termes intervenant dans la description par zone cohésive du craquelage. La calibration obtenue a permis de réaliser des simulations de rupture pour des taux de triaxialité différents et la comparaison avec l'expérience s'est avérée satisfaisante. Nous avons mis en évidence que la variation de ténacité avec la vitesse de chargement dépend peu des conditions d'amorçage du craquelage pour le PMMA et de manière majeure pour le polycarbonate. Dans les deux cas, il est nécessaire d'identifier précisément la cinétique d'élargissement des craquelures et l'ouverture critique des fibrilles pour pouvoir prédire la ténacité ( Kic ou Gic ) dans une large gamme de vitesse de chargement.