Elaboration et Caractérisation mécanique d un matériau composite hybride

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1 Elaboration et Caractérisation mécanique d un matériau composite hybride B. HACHEMANE, A. MIR, B. BEZZAZI Université de Boumerdès 1 Ave de l indépendance [email protected] Université de Boumerdès 1 Ave de l indépendance [email protected] Université de Boumerdès 1 Ave de l indépendance [email protected] RESUME: Le but de ce travail est la caractérisation mécanique expérimentale d un nouveau matériau composite hybride à renfort tissé composé de fibres de verre et de fils d acier utilisant une résine époxy. Cette caractérisation se fait à travers des essais de traction et de flexion 3-points. Les variations des courbes contrainte-déformation lors de la traction, et force-déplacement lors de la flexion 3-points seront présentées et discutées dans cet article. MOTS-CLES : Matériau composite hybride, renfort métallique tissé, fibre de verre, traction, flexion 3-points. I.Introduction La technologie moderne (aérospatiale, aéronautique, navale, etc.) nécessite de plus en plus des caractéristiques mécaniques sévères. De nouvelles perspectives sont apparues avec la venue des matériaux composites dont le domaine d utilisation ne cesse de s élargir pour répondre à un certain nombre de critères à savoir : légèreté, grande rigidité, facilité de mise en œuvre, etc... Néanmoins, certains aspects de leur comportement sous sollicitations diverses sont encore mal compris. [2] Depuis plusieurs décennies, des efforts ont été déployés pour l élaboration et la caractérisation des matériaux composites à matrices organiques (époxy, polyester, etc...) et à fibres continues tissées (verre, aramide, carbone, etc.). Dans cet article, nous étudions le comportement en statique des stratifiés hybrides verre-acier avec une résine époxy dans le cas de la traction et la flexion 3-points. II. Elaboration du matériau Plusieurs éprouvettes en composite hybride ont été élaborées au laboratoire LMMC par le Groupe Mécanique et Matériaux de l Université de Boumerdès. Elles sont constituées d une résine époxy de type AL et de renforts tissés en verre-acier en nombre de 6 tamis métalliques et 2 nappes en fibres de verre (une de chaque coté). (Figure II.1) Fibre de verre tissée Renfort métallique tissé Figure II.1 : Séquence d empilement des renforts.

2 II.1 Renfort métallique En ce qui concerne le renfort métallique, nous utilisons un tamis à base de fils d acier de diamètre 0.17 mm. Le tableau ci-dessous montre les caractéristiques mécaniques de ce renfort. Renfort métallique Tableau II.1 : Caractéristiques mécaniques du renfort métallique. II.2 Fibre de verre Pour ce qui est du second renfort, il s agit de fibre de verre équilibré sous forme de nappe de 800 g/m² de densité surfacique dont ses caractéristiques sont regroupées dans le tableau suivant : Fibre de verre Tableau II.2 : Caractéristiques mécaniques des fibres de verre. II.3 Résine La résine utilisée est une résine organique à performances élevées de type époxy AL conçue par Granitex (Algérie) ; les caractéristiques de cette résine sont comme suit : Résistance à la Résistance à la traction Densité compression [MPa] par flexion [MPa] 1.3 ± 0.05 > Tableau II.3 : Caractéristiques mécaniques de la résine époxy AL. II.4 Procédé d élaboration des éprouvettes La mise en œuvre des stratifiés est réalisée par moulage sous pression à température ambiante pendant 24 heures entre moule et contre moule après interposition des deux types de renfort. Les plaques obtenues, de dimensions de 300 mm 300 mm, sont découpées en éprouvettes après 30 jours de repos selon la norme ASTM D a pour la flexion 3-points et selon la norme ISO type 3 pour la traction à l aide d une tronçonneuse à disque diamanté et lubrifié. [4] [5] [6] Les dimensions moyennes des éprouvettes sont données dans le tableau II.4 : Longueur Longueur Longueur de totale entre outillage référence Largeur Epaisseur Traction 250 ± ± 1 50 ± 1 25 ± ± 0.3 Flexion 3-points 90 ± 1 70 ± ± 1 5 ± 0.3 Tableau II.4 : Dimensions des éprouvettes en (mm). III. Dispositif expérimental Les essais de traction et de flexion sont effectués sur une machine universelle Zwick de type Z250/SN5A pilotée par ordinateur équipé du logiciel TestXpert V9.0 ; et dotée d un capteur de force de 2,5 KN. Celle ci est reliée à une chaîne d acquisition qui permet l enregistrement simultané des contraintes

3 et déformations lors de la traction, de la force et du déplacement lors de la flexion (figure III.1). Cinq éprouvettes au moins sont testées pour chaque type de sollicitation avec une vitesse d essai de 2 mm mn. Figure III.1 : Machine d essai Z250/SN5A. IV. Résultats et discussion IV.1 Essai de traction La figure IV.1 représente l évolution de la contrainte en fonction de la déformation longitudinale laquelle montre une faible fluctuation entre les différentes éprouvettes ce qui traduit l homogénéité du matériau élaboré. De l allure de la courbe moyenne, nous constatons que la contrainte varie de manière linéaire (zone élastique) jusqu à une valeur proche de 60 Newtons par mm² avant de changer d allure (allure parabolique, zone plastique) jusqu à ce qu elle atteint sa valeur maximale qui avoisine les 80 Newtons par mm². (a) Résultats des essais des 5 éprouvettes (b) Courbe moyenne Figure IV.1 : Evolution de la contrainte en fonction de la déformation longitudinale pour l hybride verre-acier/époxy.

4 Les caractéristiques mécaniques du matériau composite hybride verre-acier/époxy sont regroupées dans le tableau IV.1 : Tableau IV.1 : Caractéristiques mécaniques de l hybride verre-acier/époxy. (Chargement en traction) IV.2 Essai de flexion 3-points Après avoir caractérisé notre matériau sous la sollicitation de traction, nous nous sommes intéressés à le caractériser par un chargement de flexion 3-points. Les résultats de cette caractérisation sont représentés par la figure IV.3 où, de l allure de la courbe force-déplacement, nous déduisons que la force varie en premier lieu d une manière linéaire (comportement élastique) jusqu à une valeur avoisinante de 600 Newtons, avant de changer d allure (comportement plastique) jusqu à une valeur maximale proche de 870 Newtons suivie par une rupture franche. Figure IV.2 : Dispositif de flexion 3-points. En ce qui concerne les caractéristiques mécaniques du composite élaboré, nous les présentons dans le tableau IV.2 : E f [GPa] σ f max [MPa] δ max [mm] σ f rup [MPa] δ rup [mm] Tableau IV.2 : Caractéristiques mécaniques du composite verre-acier/époxy. (Chargement en flexion 3-points)

5 (a) Résultats des essais des 5 éprouvettes (b) Courbe moyenne Figure IV.3 : Evolution de la force en fonction du déplacement pour le composite verre-acier/époxy. V. Conclusion Notre étude s intéresse à une caractérisation mécanique expérimentale d un nouveau matériau composite hybride verre-acier/époxy moyennant deux types de chargement : traction et flexion 3-points. A partir des résultats obtenus, nous pouvons conclure que la variation de la contrainte en fonction de la déformation longitudinale se fait selon deux allures (linéaire et parabolique) lors d un essai de traction, de même, la variation de la force en fonction de la flèche au point de chargement, pour un essai de flexion 3-points, évolue selon une allure linéaire avant de se courber. Quant aux valeurs des constantes de l ingénieur, nous remarquons qu elles ne sont pas identiques lors de la traction par rapport à la flexion 3-points. Références: [1] Bezazi A. R., Fatmi L., Bezzazi B. & El Mahi A. «Etude comparative du comportement mécanique en flexion statique 3-points de différents types de stratifiés», Conférence Internationale sur les Mathématiques Appliquées et les Sciences de l Ingénieur (CIMASI 2000), Octobre [2] Bleay S. M. & Humbertone L. Mechanical and electrical assessment of hybrid composites containing hollow glass reinforcement, Composites Sciences and Technology, Vol. 59, pp , [3] Brinson H. F., Morris D. H. & Yeow Y. T. A new experimental method for the accelerated characterization of composite materials Proc. 6 th Int. Conference on Experimental Stress Analysis, VDI Berichte, pp , [4] Broutman L. J. & Sahu S. Composites Materials, testing and design, ASTM STP, pp , [5] Chou P. C. & Croman R. Journal of Composites Materials, testing and design, ASTM STP 674, pp , [6] El Mahi A., Bezazi A. R. & Berthelot J. M. Influence du type de renfort sur le comportement mécanique en flexion des composites croisés, 13 ème Journées Nationales sur les Composites (JNC), Strasbourg (France), Mars 2003.