Thèse
Auteur :
Bucaille Jean-Luc

Date de soutenance :
01 novembre 2001

Directeur(s) de thèse :
Felder Eric



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Simulation numérique de l'indentation et de la rayure des verres organniques


Résumé : L§interprétation mécanique des essais d§indentation et de rayure est très complexe. La compréhension est encore plus délicate lorsque les essais sont réalisés d§une part sur des polymères, matériaux dont le comportement est complexe, et d§autre part, à l§échelle du micromètre pour caractériser des couches minces (vernis). La simulation numérique des essais permet de mieux les analyser et d§avoir accès à des informations impossibles par d§autres moyens d§essais (traction, compression, ...). Notre étude porte sur des polymères thermoplastiques et thermodurcissables renforcés (vernis) ou non par des nanoparticules. La composante élastique est modifiée par le modèle d§Young, la viscosité par une loi de G§Sell Jonas, avec un écrouissage exponentiel. Les paramètres de cette loi sont déterminés par une méthode d§analyse inverse basée sur les courbes force pénétration obtenues par les essais de nano-indentation avec deux indenteurs et des simulations avec Forge 2®. Les thermodurcissables se différencient des thermoplastiques par des coefficients d§écrouissage élevés. Les simulations avec Forge3® de la rayure sur ces polymères avec deux indenteurs montrent des comportements semblables aux comportements expérimentaux: labourage avec une composante de déformation élastique importante pour les thermodurcissables, conduisant à la formation de dépression au contact de l§indenteur. Nous avons mis en évidence qu§un matériau avec un fort écrouissage a une dureté très élevée et des endommagements très faibles, ce qui est vérifié expérimentalement et explique les performances de résistance à la rayure des vernis.1 –Introduction – 7
2 – Modelisation de l§indentation et de la rayure – 9
2.1 – Bibliographie de l§essai de rayure sur polymères et métaux – 10
2.1.1 – Introduction – 11
2.1.2 – Présentation de l§essai de rayure – 12
2.1.3 – Modélisation numérique de l§essai de rayure – 21
2.1.4 – Les endommagements observés lors de l§essai de rayure – 24
2.1.5 – Matériaux à forte composante plastique – 25
2.1.6 – Matériaux élastoplastiques – 31
2.1.7 – Conclusions – 37
2.2 – Etude de la rhéologie des polymères – 41
2.2.1 – Présentation des matériaux – 41
2.2.2 – Propriétés des polymères – 42
2.2.3 – Les outils expérimentaux – 45
2.3 – Niveau de déformation en indentation et en rayure – 47
2.3.1 – Introduction – 47
2.3.2 – Modeling procedures – 49
2.3.3 – Results and discussion – 54
2.3.4 – Conclusion – 56
2.4 – Vitesse de déformation en indentation – 58
2.4.1 – Introduction – 58
2.4.2 – Simulation numérique de l§indentation – 60
2.4.3 – Résultats – 60
2.4.4 – Conclusions – 67
2.5 – Etude du contact du matériau indenteur – 69
2.5.1 – Modélisation du frottement – 69
2.5.2 – Détermination du coefficient de frottement – 69
2.5.3 – Validation du modèle – 70
2.5.4 – Modèle avec une cission d§angle variable – 71
2.5.5 – Frottement avec des polymères – 73
2.6 Conclusions – 75
3 – Identification de la rhéologie des polymères par indentation – 77
3.1 – Dépouillement des essais d§indentation – 78
3.1.1 – Influence de la forme des indenteurs – 79
3.2 – Identification des paramètres rhéologiques du polycarbonate – 81
3.2.1 – Introduction – 81
3.2.2 – Experimental and numerical method – 83
3.2.3 – The modeling of the polymer behavior – 84
3.2.4 – Numerical results – 88
3.2.5 – Discussions – 96
3.2.6 – Conclusions – 99
3.3 – Travaux complémentaires sur les substrats – 102
3.3.1 – Identification de la rhéologie du CR39® - 102
3.3.2 – Etude de la rhéologie du PMMA – 106
3.3.3 – Influence de la forme des indenteurs – 110
3.4 – Etude préliminaire sur les vernis – 110
3.4.1 – Identification préliminaire de la rhéologie de " vernis – 110
3.4.2 – Profondeur nécessaire pour identifier les paramètres – 114
3.4.3 – Influence du substrat – 116
3.5 – Conclusion
4 – Simulation numérique de la rayure – 121
4.1 – Condition ddes simulations numériques avec Forge3® - 122
4.1.1 – Présentation générale du code de calcul – 122
4.1.2 – Maillage et taille du domaine – 123
4.2 – Rayure de matériaux élastiques parfaitement plastiques – 130
4.2.1 – Introduction – 131
4.2.2 – The finite element model – 132
4.2.3 – Results and discussion – 134
4.2.4 – Conclusions – 147
4.3 – Rayure des substrats – 148
4.3.1 – Résultats expérimentaux – 148
4.3.2 – Calculs numériques – 149
4.3.3 – Dépouillement des calculs – 150
4.3.4 – Pyramide Berkovich et cône équivalent – 153
4.3.5 – Rayure avec la pyramide Bertkovich face en avant – 160
4.3.6 – Rayure avec le cône aigu – 166
4.4 – Rayure sur un vernis – 178
4.4.1 – Simulations numériques – 178
4.4.2 – Résultats et discussions – 179
4.5 – Comportement et simulation des trois matériaux – 184
4.6 – Dureté normale et dureté rayure – 185
4.6.1 – Déformation représentative – 185
4.6.2 – Vitesse de déformation – 188
4.6.3 – Dureté – 188
4.7 – Conclusions
5 – Analyse des endommagements en rayure – 197
5.1 – Rayure du polycarbonate et du CR39® - 198
5.1.1 – Dureté rayure et pression de contact – 198
5.1.2 – Contraintes longitudinales et transversales – 200
5.1.3 – Pression hydrostatique – 204
5.2 – Influence du frottement – 204
5.2.1 – Rayure sur le polycarbonate – 206
5.2.2 – Rayure sur le vernis oa10 – 208
5.2.3 – Synthèse – 211
5.3 – Rayure d§un métal pour différents angles de cône – 211
5.3.1 – Géométrie d ela rayure – 212
5.3.2 – Frottement apparent et dureté rayure – 212
5.3.3 – Déformations et contraintes – 213
5.4 – Rayure du polycarbonate pour différents indenteurs – 214
5.4.1 – Etude du profil de rayure – 216
5.4.2 – Frottement apparent et dureté – 217
5.4.3 – Contraintes dans le matériau – 218
5.4.4 – Influence du rayon de pointe – 221
5.4.5 – Rayure pointe penchée – 222
5.5 – Conclusions
6 – Conclusion générale – 225
Bibliographie – 228
Nomenclature – 232
Fichier de données - 235

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