Fatigue of HNBR - Effects of formulation and thermal aging

par Kubat Narynbek Ulu

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Bertrand Huneau.

Le président du jury était Moussa Naït-Abdelaziz.

Le jury était composé de Bertrand Huneau, Moussa Naït-Abdelaziz, Florian Lacroix, Nicolas Saintier, Pierre-Antoine Albouy, Anne-Sophie Beranger, Michael Johlitz, Erwan Verron.

Les rapporteurs étaient Florian Lacroix, Nicolas Saintier.

  • Titre traduit

    Fatigue du HNBR - effet de la formulation et du vieillissement thermique


  • Résumé

    Cette thèse de doctorat s’intéresse à la fatigue des élastomères, et plus particulièrement des caoutchoucs nitrile hydrogénés (sigle HNBR en anglais). Les HNBR sont des élastomères de haute performance,classiquement utilisés pour des applications industrielles à haute température où une bonne résistance chimique aux hydrocarbures est également requise.La thèse est divisée en trois parties principales.En premier lieu, des améliorations majeures pour les expériences de durée de vie en fatigue des élastomères sont proposées. Une approche expérimentale originale permettant le pilotage des essais en contrainte vraie est détaillée.Grâce à cette méthode, la première « vraie »courbe de Wöhler (contrainte vraie en fonction du nombre de cycles) pour des élastomères est tracée. Ensuite, des outils statistiques, issus de la recherche médicale, permettent une analyse probabiliste des résultats présentant une grande dispersion et des durées de vie censurées.Dans un second temps, ces nouveaux outils sont utilisés pour étudier l'effet de la formulation chimique – les taux d’acrylonitrile et d'hydrogénation notamment - sur la résistance en fatigue du HNBR à 120 oC. Ces résultats sont complétés par des expériences de propagation de fissure de fatigue et par une analyse de l'endommagement. Finalement, l'influence du vieillissement thermique sur la résistance en fatigue du HNBR est étudiée ; deux nouveaux essais sont développés : des essais simultanés de vieillissement et de fatigue, et des expériences de fatigue sur des échantillons préalablement vieillis.De plus, la cristallisation sous tension dans le HNBR est pour la première fois étudiée de manière quantitative


  • Résumé

    The present PhD thesis is devoted to investigation of fatigue in elastomers, andmore particularly of carbon black-filled hydrogenated nitrile butadiene rubber (HNBR).HNBR is a high performance elastomer classically used for high temperature industrial applications, where high resistance to industrial solvents is also required.The thesis is divided into three main parts.First, major improvements of testing procedures utilized in fatigue life testing ofelastomers are proposed. An original method to prescribe the true stress throughout fatigue experiments is developed; it permits to plot the first “true” Wöhler curve, i.e. true stress vs.number of cycles, for elastomers. Then,statistical tools, widely applied in medical research, are adopted for a comprehensive probabilistic analysis of fatigue life results that exhibit high scatter and censored lifetimes.Second, these novel tools are used to investigate the effect of chemical formulation -acrylonitrile content, percent hydrogenation,and of a composite blend - on fatigue resistance of HNBR at the service temperature of 120 oC. In addition to these fatigue life tests,fatigue crack propagation experiments and microscopic fatigue damage analysis are carried out. Third, the influence of thermal aging on fatigue performances of HNBR is investigated.To this end, two additional fatigue life tests are carried out: simultaneous aging and fatigue experiments, and fatigue experiments on preaged samples.Additionally, strain-induced crystallization in HNBR is studied; for the first time, quantitative relationships between crystallization, strain,and stress are established for unfilled HNBR blends.


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