Caractérisation thermomécanique du comportement en fatigue des thermoplastiques renforcés de fibres de verre courtes

par Leonell Serrano Abello

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Yann Marco.

Soutenue le 03-11-2015

à Brest , dans le cadre de École doctorale Sciences de la mer (Plouzané, Finistère) , en partenariat avec Laboratoire brestois de mécanique et des systèmes (laboratoire) .


  • Résumé

    L’allégement des véhicules est une préoccupation majeure de l’industrie automobile, puisque cela permet de réduire les émissions des gaz à effet de serre, ce qui entraînerait une réduction des impacts de ceux-ci sur l’environnement à l’échelle mondiale. Cette volonté d’allégement des véhicules tout en restant accessible en termes de coûts, a conduit au remplacement des matériaux métalliques par des composites à matrices thermoplastiques pour de nombreuses applications. Le compromis entre la tenue thermomécanique et le coût massique du matériau amène à sélectionner des matrices polyamides renforcées par des fibres de verre courtes, et mises en forme par injection. Cependant, les outils prédictifs du comportement et les critères robustes pour la caractérisation des propriétés en fatigue, manquent encore. Ils sont pourtant indispensables pour la conception de pièces structurelles dans l’industrie automobile. La caractérisation en fatigue des polyamides renforcés de fibres de verre courtes présente de nombreuses difficultés, liées au comportement fortement non linéaire de la matrice dans les conditions de service visées (température et humidité), à la nature composite de ces matériaux, à l’influence du procédé de fabrication (orientation des fibres) et au caractère fortement dissipatif de la matrice thermoplastique (augmentations de température non négligeables lors des chargements cycliques). Un enjeu majeur est de comprendre les liens entre la microstructure, le chargement thermo-(hygro)-mécanique et les propriétés de fatigue (sites d’initiation, scénarios d’évolution, critère de rupture). Le premier objectif de cette thèse est de proposer des protocoles d’analyse permettant de caractériser l’influence de chaque paramètre sur le comportement en fatigue. Par ailleurs, la complexité des pièces industrielles en termes de géométrie et d’orientation des fibres soulève la question de la pertinence des éprouvettes classiques. Le second objectif principal de cette thèse est donc de concevoir des éprouvettes représentatives en terme d’orientation des fibres et d’accidents géométriques des pièces industrielles (appelées éprouvettes de structure) et de valider pour ces cas complexes, les démarches et critères proposés. Pour répondre à ces objectifs, nous souhaitons proposer un protocole basé sur des mesures d’auto-échauffement, qui donnerait accès d’une part aux champs d’énergie dissipée pour les cas hétérogènes investigués et qui offrirait, d’autre part, une opportunité de caractérisation rapide des propriétés en fatigue au travers de critères énergétiques

  • Titre traduit

    Thermomechanical characterization of the fatigue behaviour of short fibers reinforced thermoplastic


  • Résumé

    Vehicle weight reduction is a major issue in the automotive industry, because this contributes to reducing global warming emissions, resulting in a reduction of negative environmental impacts at the worldwide scale. To replace heavy metallic materials conventionally used, short fiber reinforced thermoplastics (SFRT) provide today a major opportunity to obtain lightweight automotive parts at a reasonable cost for several applications. The cost and the thermomechanical properties motivate the choice of polyamide matrix reinforced with glass fibers manufactured by injection molding. However, predictive modeling behavior tools and robust fatigue criteria must be identified. Both are needed for the design of structural pieces in the automotive industry. The fatigue design of SFRT components for structural applications in the automotive industry requires an accurate knowledge of several factors because the material features are complex, these features are related to the strong nonlinear behavior of the matrix under the service conditions (temperature and humidity), the composite nature of the material, the influence of the injection molding (fiber orientation) and the dissipative characteristics of the thermoplastic matrix (significant temperature rise during the cyclic loadings). A major issue is to understand the relations between the microstructure, the thermo-hydro-mechanical loading and the fatigue properties (fatigue initiation sites, evolution scenarios, and failure criterion). The first objective of this thesis is to suggest methods that allow for the characterization of the influence of each parameter on the fatigue behavior. Furthermore, the complexity of the industrial pieces in terms of geometry and fiber orientation challenges the relevancy of the classical samples. The second objective of this thesis is consequently to design more complex samples that intend to be representative in terms of fiber orientation and geometric details found in the industrial pieces (called structural samples) and to validate the methods and the fatigue criteria suggested for these complex cases. To achieve these objectives, a method based on thermal measurements giving access to the dissipation fields for the heterogeneous cases considered is proposed, this method also offers a very high reduction of the characterization duration of the fatigue properties through energetic criteria


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2015 par Université de Bretagne occidentale [diffusion/distribution] à Brest

Caractérisation thermomécanique du comportement en fatigue des thermoplastiques renforcés de fibres de verre courtes


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Informations

  • Sous le titre : Caractérisation thermomécanique du comportement en fatigue des thermoplastiques renforcés de fibres de verre courtes
  • Détails : 1 vol. (XXI-231 p.)
  • Annexes : Bibliographie p. 223-231 : 113 réf.
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