Département des matériaux (Laboratoire des polymères LP)

Approche expérimentale du comportement mécanique des polymères en sollicitation rapide

Béguelin, Philippe ; Kausch, Hans-Henning (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1996 ; no 1572.

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    Summary
    In the more recent applications of technical polymers, they are frequently submitted to high strain rates. Being viscoelastic by nature, their mechanical properties are rate dependent. It is therefore important to investigate their properties over a wide range of strain rates. The aims of this study are twofold: i) to propose an experimental technique applicable to a large domain of strain rates, included those covering impact tests, and ii) to apply this technique to the study of the rate dependence of the mechanical properties of some technical polymers. In the first section, the deformation mechanisms of polymers, and the way in which they are influenced by strain rate, are reviewed. Some basics of fracture mechanics are also briefly presented. A detailed study of our original approach to the high rates tests then follows. This technique is based on the reduction of dynamic effects which often affect the measurements at high loading rates. Rather than impact tests, our technique is a quasi-static tests at high rates. This results from the use of a damper as coupling element between the servohydraulic piston and the specimen, together with the specific design of load and displacement detectors. The transient acceleration, responsible for the dynamic effects is decreased, but the high loading rates are maintained. The second section is devoted to the investigation of the rate effect on the tensile and rupture properties of polyoxymethylene (POM) and impact modified polymethylmethacrylate (PMMA). It is shown that high molecular weight POM is less sensitive to the increase of the loading rates than for lower molecular weights. The physical structure, which depends on the processing conditions, plays an important role as well. Results show greater embrittlement by increasing the loading rate than by lowering the temperature. Finally, a molecular model of fracture is proposed. PMMA modified by different fractions and morphologies of the rubbery phase are submitted to tensile and fracture tests at room temperature. Several stages in the micromechanisms of deformation are identified by transmission electron microscopy. The progressive disappearance of some of these stages leads to ductile to brittle transitions in some of the materials studied. The velocity at which these transitions occur depends on the fraction and on the morphology of the modifying phase. It is also shown that a spherical morphology of the rubbery phase is not necessarily required to improve the toughness, but that this latter depends on the interactions between the phases.
    Résumé
    Dans leurs applications, les polymères sont de plus en plus souvent soumis à des vitesses de sollicitations élevées. Etant viscoélastiques par nature, leurs propriétés mécaniques dépendent dans une large mesure de la vitesse de déformation. Il importe donc de les caractériser aux grandes vitesses de déformation. L'objectif de ce travail est double: i) proposer une technique expérimentale applicable à une gamme étendue de vitesses, en couvrant les essais d'impact, et ii) l'appliquer à l'étude de l'évolution des propriétés et des mécanismes de déformation de polymères techniques. Dans la première partie, nous passons en revue les mécanismes de déformation des polymères et la façon dont ils sont affectés par la vitesse. Les fondements de la mécanique de la rupture sont brièvement abordés également. Nous proposons ensuite une approche originale des essais mécaniques aux grandes vitesses. Notre démarche vise à réduire les effets dynamiques qui perturbent généralement les mesures aux vitesses élevées. La technique développée transforme les essais de choc en essais statiques à vitesse de déformation élevée. Pour cela, outre l'utilisation de capteurs spécifiques, nous utilisons un amortisseur comme élément de couplage entre le vérin hydraulique, et l'échantillon. L'accélération prodiguée à l'éprouvette s'en trouve réduite, mais la vitesse élevée de déformation subsiste. Cette technique est applicable aux essais de traction et à ceux de rupture. Ce travail présente une analyse détaillée de la méthode proposée et de ses limites d'application. La deuxième partie est consacrée à l'étude de l'influence de la vitesse de déformation sur les propriétés en traction et en rupture des polyoxyméthylènes (POM) et des polyméthacrylates de méthyle (PMMA) modifiés choc. Il est montré que les POM de poids moléculaires élevés supportent mieux l'élévation de la vitesse de déformation que ceux de masse moléculaire plus faible. La structure physique joue également un grand rôle par le biais de la mise en oeuvre. Les résultats montrent une fragilisation plus grande du POM par l'élévation de la vitesse que par la réduction de la température des essais. Enfin un modèle moléculaire de ténacité est proposé. Des PMMA contenant des fractions et des morphologies différentes de la phase modificatrice sont étudiés en traction et en rupture à température ambiante. Les différentes étapes des micro-mécanismes de déformation sont mises en évidence par une étude microscopique. Suite à la disparition progressive de certains mécanismes, des transitions ductile-fragile sont trouvées. Leurs positions dans la plage de vitesse dépendent de la concentration et de la morphologie de la phase modificatrice. Il est également montré qu'une morphologie sphérique de la phase modificatrice n'est pas une condition nécessaire à l'augmentation de la ténacité, mais qu'elle dépend plutôt des interactions entre les phases.