A3 Fatigue dans les composites (dégradation de rigidité distribuée)

Topique

Sous chargement de fatigue cyclique, ce composite ne développe pas une fissure dominante unique se propageant de manière isolée, mais accumule plutôt des microdommages répartis dans tout son volume : la matrice se fissure en de nombreux points dispersés, et simultanément, de multiples zones de décollement – ​​la séparation locale entre la fibre et la matrice environnante – apparaissent également, dispersées dans tout le composite. Le fait que ces microdommages soient répartis dans tout le volume du composite, au lieu d'être concentrés en un seul point, les distingue d'une fissure dominante isolée.

Ces microdommages répartis, formés par la matrice fissurée et le décollement dispersé, ne sont pas quantifiés point par point, mais plutôt par une variable de dommage cumulatif unique : cette variable agrège, en une seule valeur croissante, l'effet combiné de toutes les fissurations de la matrice et de tous les décollements dispersés qui s'accumulent cycle après cycle. Au fur et à mesure que les cycles de fatigue se poursuivent, cette variable de dommage cumulatif augmente de façon monotone, sans jamais revenir à une valeur inférieure.

L'augmentation de cette variable de dommage cumulatif entraîne une dégradation de la rigidité résiduelle du composite : chaque fissure matricielle et chaque zone de décollement induites par cette variable réduisent davantage la capacité du composite à transmettre élastiquement la charge entre ses fibres et sa matrice. Une variable de dommage cumulatif élevée se traduit par une rigidité résiduelle plus faible ; une variable de dommage cumulatif faible maintient la rigidité résiduelle plus proche de celle du composite non endommagé.

Cette même rigidité résiduelle, à mesure que le composite progresse le long de sa courbe contrainte-durée de vie, ne diminue pas uniformément mais logarithmiquement avec le nombre de cycles : elle chute rapidement lors des premiers cycles, puis se dégrade lentement et progressivement pendant la majeure partie de la durée de vie en fatigue du composite, et chute à nouveau rapidement lors des derniers cycles, juste avant la rupture. Cette diminution logarithmique, plutôt qu'uniforme, de la rigidité résiduelle signifie que la majeure partie de la durée de vie en fatigue du composite se déroule avec une rigidité résiduelle qui se dégrade très lentement.

Par conséquent, ce modèle, avec ses microdommages répartis, se distingue clairement du modèle équivalent pour la fatigue des métaux, où une fissure dominante unique concentre tous les dommages en un point précis au lieu de les répartir dans le volume du matériau. Dans ce modèle métallique, c'est la propagation de cette fissure unique qui détermine la durée de vie en fatigue. Le fait que, dans ce composite, les dommages soient répartis dans tout le volume signifie que c'est la variable de dommage cumulatif — incluant la matrice fissurée et le décollement dispersé — qui dégrade la rigidité résiduelle le long de la courbe contrainte-durée de vie.

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