Fatigue et vieillissement des élastomères en environnements marin et thermique : de la caractérisation accélérée au calcul de structure

Fatigue and ageing of rubbers under marine and thermal environments : from accelerated tests to structure numerical simulations

• Auteur / Autrice : Vincent Le Saux
• Direction : Sylvain Calloch, Yann Marco
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l’ingénieur. Mécanique des matériaux, des structures et des fluides
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire brestois de mécanique et des systèmes (2008-2015)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : École nationale supérieure des ingénieurs des études et techniques d'armement (1971-2010)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tomographie à rayons X

Contrôle non destructif par thermographie infrarouge

Matériaux -- Détérioration

Matériaux -- Fatigue

Effets de l'eau

Effets de la température

Élastomères

Mots clés libres

Élastomère

Fatigue

Vieillissement

Caractérisation thermomécanique et physique

Tomographie par rayons X

Critère d’endurance énergétique

Micro-dureté

Résumé

Cette étude concerne la fatigue et le vieillissement des élastomères en environnements marin et thermique. Elle consiste plus particulièrement à proposer des outils applicables à l’échelle industrielle permettant d’intégrer les effets du vieillissement sur l’évolution des propriétés mécaniques, en particulier sur les propriétés en fatigue. Une vaste campagne expérimentale a ainsi été lancée pour deux matériaux industriels et pour deux types d’environnements (marin et thermique). Le vieillissement est caractérisé à toutes les échelles, depuis l’étude des mécanismes de dégradation (causes) jusqu’aux évolutions du comportement mécanique (conséquences). Les méthodes classiques d’extrapolation de la durée de vie sont ensuite appliquées et confrontées à des données issues de structures vieillies en service. Le second aspect de cette étude concerne la proposition d’une méthode d’identification rapide des propriétés à la fatigue. Pour cela, une méthode spécifique, dédiée aux matériaux élastomères, est proposée. Elle repose sur l’utilisation de mesures d’auto- échauffement par thermographie infrarouge, sur la description des populations de défauts sous chargement cyclique par micro-tomographie aux rayons X et sur l’utilisation d’un modèle de terme source pour alimenter un critère d’endurance énergétique. Enfin, dans la dernière partie, nous présentons les outils manquants à l’extension de ces résultats aux structures industrielles permettant de prendre en compte les gradients de propriétés induits par le vieillissement.

This study deals with fatigue and ageing of elastomers under marine and thermal environments. We focused more specifically on the proposal of tools that can be applied at an industrial scale and permit the integration of the ageing effects on the evolution of the mechanical properties, especially for the fatigue properties. A large experimental campaign has been performed on two industrials materials and for two kinds of environments (marine and thermal environments). The ageing is characterized at different scales, from the identification of the ageing mechanisms (ageing causes) to the evolutions of the mechanical properties (ageing consequences). The classical extrapolation methods for the lifetime prediction are then applied and compared to results that come from naturally aged industrial structures. The second aspect of this study concerns the proposal of a specific method for the rapid estimation of the fatigue properties of rubber-like materials. This method relies on the use of heat build-up measurements (using infrared thermography) on the description of the defects population under cyclic loadings (using X-ray computed micro-tomography) and on the use of a heat sources model to feed an energetic fatigue criterion. Finally, we present some tools that allow the extension of the previous method to industrial structures taking into account the properties gradients induced by ageing.