Mécanismes microstructuraux impliqués dans la fatigue des fibres thermoplastiques

par Christophe Le Clerc

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Anthony Roland Bunsell.

Soutenue en 2006

à Paris, ENMP .


  • Résumé

    Les fibres thermoplastiques à hautes performances polyester et polyamide trouvent aujourd’hui des applications dans des domaines de plus en plus variées du textile technique : le renforcement de structure, les cordages, le géotextile… Les différents usages présentent des conditions mécaniques, thermiques et environnementales de plus en plus sévères. Au cours de ce travail, nous avons exploré différentes sollicitations mécaniques en particulier la fatigue et différentes températures dans une gamme de 20°C à 180°C comprenant la température de transition vitreuse. Cette étude est construite autour d’essais mécaniques sur fibre unitaire d’un diamètre de 18 à 27µm en traction, fluage et fatigue et des essais de fatigue sur mèche de fibres. La compréhension des mécanismes microstructuraux est passée par l’utilisation de nombreuses techniques d’observation (MEB, microscopie optique, coupe microtome), d’analyse de la microstructure (diffraction des rayons X aux grands angles et aux petits angles) et de caractérisation thermomécanique (DSC, DMTA). Le couplage des essais de fatigue et des observations aux différentes échelles a mis en évidence une évolution de l’organisation globale avec une meilleure orientation de la structure. Parallèlement, à cette amélioration paradoxale des propriétés, un endommagement local critique apparaît sous forme d’une fissure de fatigue caractéristique. Les paramètres mécaniques, et en particulier, la contrainte minimale du cycle ont été étudiés en corrélation avec les mécanismes de dissipation d’énergie observés lors de la sollicitation cyclique. Ce travail a aussi été l’occasion de déterminer des paramètres matériaux pertinents justifiant la localisation de la fissuration tels que les inclusions solides et la structure cœur / peau. La sollicitation cyclique au dessus de la température de transition vitreuse a fait apparaître un nouveau mode de fissuration en fatigue conduisant à un faciès original. Cette morphologie de rupture très particulière observée sur des monofilaments correspond à la morphologie souvent observée sur des fibres extraites de structures complexes soumises à des sollicitations cycliques.

  • Titre traduit

    Microstructural mechanism involved in thermoplastic fibres fatigue


  • Résumé

    High performance polyamide and polyester thermoplastic fibres find wide use in technical applications such as structural reinforcements, belting, geotextiles …. These various different uses subject the fibres to a wide range of sever mechanical, thermal and environmental conditions. The present study has explored the effects of different mechanical loading conditions and in particular cyclic fatigue loading, over a wide range of temperatures from 20 to 180°C, which included the glass transition temperatures of the fibres. The mechanical testing used throughout this study was performed on single fibres with diameters from 18 to 27µm as well as on bundles of fibres. Tests included tensile, creep and fatigue tests on single fibres as well as fatigue tests on bundles. The microstructural mechanisms involved were revealed by the use of a variety of observational techniques (SEM, optical microscopy, ultra-microtomy), microstructural analysis (small and wide angle X-ray diffraction) and themomechanical characterisation (DSC, DMTA). Observations at different levels of resolution have revealed an overall evolution of the fibre structure and an increase of structural orientation during fatigue testing. Coincidently with a resulting overall improvement of properties, local damage, due to a fatigue mechanism, was observed which resulted in the development of distinctive fatigue cracks in the fibres. The loading parameters and in particular the minimum cyclic load, governing fatigue failure, have been studied in conjunction with an examination of the energy dissipation mechanisms occurring during cyclic loading. The initiation of crack growth has been seen to be associated with the presence of solid inclusions in the fibres as well as a skin/core macrostructure. Cyclic loading above the glass transition temperature was shown to produce an additional mode of crack growth leading to previously unrecognised fatigue fracture morphologies. This type of failure at high temperature of single fibres has been seen to correspond to fracture morphologies observed with fibres removed from complex structures which have undergone cyclic loading.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (250 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliographie 110 réf.

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  • Cote : EMC LEC
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