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Composites Essai

Méthode d'essai pour la caractérisation mécanique des plastiques renforcés de fibres

Les plastiques renforcés de fibres (PRF) sont une catégorie de matériaux haute performance qui, en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques spécifiques à la masse, de leur très bon comportement à la fatigue et de leur grande souplesse de conception, sont principalement utilisés pour les constructions légères dans les domaines de l'aéronautique, de l'énergie éolienne, de l'automobile, etc. De manière générale, les stratifiés composites multicouches constitués de couches individuelles sont utilisés pour les structures à parois minces. Le renforcement à l’aide de fibres s’étend des composites unidirectionnels (UD) renforcés par fibres continues, des composites tissés et composites tissés aux FVK avec fibres de renforcement discontinues et réparties de manière aléatoire.

De nombreux essais de composites sont proposés pour la caractérisation mécanique des matériaux FVK à des fins de développement de matériaux, de qualification de matériaux, d'assurance qualité ou de détermination de grandeurs caractéristiques pour la conception et le design de structures composites:

Composites Méthode d’essai:

Essais de traction Essais de compression Essais de cisaillement Essais de flexion Essais ILSS Taux de libération d’énergie interlaminaire Compression After impact (CAI) Résistance à la friction des trous Essai de fatigue

Plus d’informations sur les essais de composites:

Système d'essai modulaire Essai cryogénique des composites Alignement oblique Projets client

Vidéo: Introduction aux essais des composites

Enregistrement Webinaire sur Introduction aux essais sur composites:
En savoir plus plus sur les méthodes d'essai de base et moyens d’essai dans les essais de composites pour l'assurance qualité et la conception de structures composites:

  • Domaines d’application des matériaux composites (à partir de 3:28)
  • Essais de traction et alignement (à partir de 15:32)
  • Essais de compression (à partir de 20:25)
  • Essais de cisaillement (à partir de 31:07)
  • Essais de flexion (à partir de 37:58)
  • ILSS / Résistance à cisaillement interlaminaire (à partir de 42:21)
  • Machines d’essais statiques incluant les outillages d’essais (à partir de 45:26)
  • Mesure de l’allongement et du fléchissement (à partir de 49:40)

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Autres webinaires intéressants sur les composites

Composites Essais de traction

L’essai de traction des composites permet de déterminer les grandeurs caractéristiques élastiques du module de traction et du coefficient de Poisson ainsi que la résistance à la traction dans les principales directions sur plastiques renforcés de fibres.

  • Les méthodes les plus courantes pour les essais de traction sur composites sont l’ISO 527-4 & ISO 527-5, ASTM D3039 de même que l’EN 2561 et l’EN 2597.
  • La norme constructeur Airbus AITM1-0007 détaille les conditions des essais de traction sur stratifiés multidirectionnels non entaillés de même que les conditions applicables aux essais de traction sur éprouvettes entaillées servant à déterminer la résistance à la traction Open Hole Tension (OHT) et Filled Hole Tension (FHT). Les essais de traction Open Hole et Filled Hole sont principalement utilisés en applications aéronautiques pour déterminer les facteurs de réduction des stratifiés multidirectionnels soumis à une charge de traction avec un trou ouvert ou fermé. Les autres méthodes d'essai normalisées servant à déterminer la résistance à la traction Open Hole et Filled Hole sont l’ASTM D5766 et l’ASTM D6742.
Essai de traction Composites
ISO 527-4, ISO 527-5
vers Essai de traction Composites
Essai de traction Composites
ASTM D3039
vers Essai de traction Composites

Composites Essais de compression et essais d’entaillage

L’essai de compression des composites permet de déterminer le module de compression et la résistance à la compression dans les principales directions sur plastiques renforcés de fibres. Considérant que la résistance à la compression dans le sens des fibres du stratifié est souvent inférieure à la résistance à la traction et que les modes de défaillance d'un stratifié FVK sous charge de traction et de compression varient très fortement, l'essai de compression joue un rôle décisif dans l’essai des composites.

Les nombreuses méthodes d'essai et normes pour les essais de compression sur composites distinguent trois principes d'application des charges:

  • Essai de compression avec application frontale de la force d’après ASTM D695, DIN EN 2850 Type B et Boeing BSS 7260 Type III et IV
  • Essai de compression avec application de la force par poussée (Shear Loading) d’après ASTM D3410, ISO 14126 méthode 1, DIN EN 2850 Type A et Airbus AITM1-0008 type d’éprouvette A
  • Essai de compression avec application combinée de la force (Combined Loading) nach ASTM D6641, ISO 14126 méthode 2, et Airbus AITM1-0008 type d’éprouvette A

Outre les méthodes d’essai mentionnées ci-dessus pour déterminer les caractéristiques de compression des stratifiés non entaillés, des essais de compression par entaillage des composites sont proposés pour déterminer l’Open Hole Compression (OHC) selon ASTM D6484 et Filled Hole Compression (FHC) selon ASTM D6742.
À l’aide des caractéristiques de compression du stratifié non entaillé, des facteurs de réduction correspondants pourront alors être déterminés pour les stratifiés multidirectionnels sous charge de compression. Les essais de compression par entaillage sont également décrits dans les normes industrielles Airbus AITM1-0008 Types d’éprouvette B, D et C de même que dans la norme Boeing BSS 7260 Type I.

Essai de compression avec chargement par les extrémités sur composites
ASTM D695, DIN EN 2850, BSS 7260
vers Essai de compression avec chargement par les extrémités sur composites
Essai de compression avec chargement par cisaillement
ISO 14126, ASTM D3410, DIN EN 2850
vers Essai de compression avec chargement par cisaillement
Essai de compression avec chargement combiné
ISO 14126 (méthode 2), ASTM D6641, Airbus AITM 1.0008
vers Essai de compression avec chargement combiné
Open Hole Compression, Filled Hole Compression, Essai de compression entaillé
ASTM D6484, ASTM D6742, Boeing BSS 7260 Type I, AITM 1.0008
vers Open Hole Compression, Filled Hole Compression, Essai de compression entaillé

Composites Essais de cisaillement

L’essai de cisaillement des composites permet de déterminer les grandeurs caractéristiques du cisaillement dans le plan des plastiques renforcés de fibres, telles que le module de cisaillement et la résistance au cisaillement. Pour les matériaux FVK avec grandeurs distinctes dans les principales directions du matériau, le module de cisaillement doit toujours être déterminé au moyen d’essais de cisaillement propres; contrairement aux matériaux isotropes par exemple, le module ne pourra être calculé à partir d'autres grandeurs caractéristiques élastiques.

Pour déterminer les valeurs caractéristiques de cisaillement et le comportement au cisaillement, 3 méthodes d'essai distinctes se sont établies:

Pour l’essai de traction avec un stratifié à ±45° (In plane shear test), un montage d'essai identique à celui utilisé pour les essais de traction pourra être utilisé. L’acquisition de l’allongement transverse, en plus de l'allongement longitudinal, sera toutefois indispensable pour le calcul de l'allongement à cisaillement.

Pour l’essai de cisaillement Iosipesu et V-Notched Rail, des éprouvettes entaillées et des dispositifs d'essai correspondants seront nécessaires. Ici aussi, la mesure de l'allongement biaxial est requise. Des jauges de contrainte biaxiales seront fréquemment utilisées. L’allongement pourra en outre être mesuré par corrélation d'image numérique (DIC).
Les essais de cisaillement avec entaille en V permettent également de déterminer des valeurs caractéristiques de cisaillement hors plan, lorsque des stratifiés d’épaisseur correspondante sont disponibles.

IPS Test (in plane shear)
peut être créé et mesuré par réalisation d'un essai de traction ou compression sous ± 45° par rapport à la direction des fibres.
vers IPS Test (in plane shear)
Essai de cisaillement à entaille V / V-notch shear test
sont utilisés pour la caractérisation des propriétés de cisaillement dans le plan.
vers Essai de cisaillement à entaille V / V-notch shear test

Composites Essais de flexion

Grâce à la relative simplicité du montage d'essai, de la géométrie et de la fabrication des éprouvettes ainsi que de la réalisation des essais, les essais de flexion des composites sont fréquemment utilisés dans le cadre de l'assurance qualité ou pour des comparaisons rapides entre matériaux. Une distinction entre essais de flexion 3 et 4 points devra toutefois être effectuée. Les méthodes d'essai normalisées les plus courantes pour les essais de flexion des plastiques renforcés de fibres sont:

Lorsque la rigidité du montage d'essai est suffisante, ou lorsque la déformation du montage d’essai peut être déterminée et corrigée dans le logiciel d'essai, l'utilisation de la course de la machine d'essai est fréquemment admise dans l'essai de flexion 3 points.
En revanche, pour l'essai de flexion 4 points, une mesure du fléchissement au centre de l'éprouvette au moyen d'un système de mesure de la course approprié sera requise.

Essai de flexion Composites
ISO 14125, ASTM D7264, EN 2562, EN 2746
vers Essai de flexion Composites
Essai de flexion en 3 points Plastique
ASTM D790
vers Essai de flexion en 3 points Plastique

Résistance à cisaillement interlaminaire (Interlaminar shear strength (ILSS)

L’essai pour la détermination de la résistance à cisaillement interlaminaire Shear Strength – ILSS Test) est l'un des essais statiques les plus courants pour les plastiques renforcés de fibres et est fréquemment utilisé dans le cadre de l'assurance qualité. L’éprouvette requise est relativement petite, la réalisation de l'essai est à la fois simple et rapide et la force maximale déterminée lors de l'essai suffit à l'évaluation.

Les normes d’essai établies pour le test ILSS sont ISO 14130, EN 2377, EN 2563 et ASTM D2344.

Les 4 normes décrivent une éprouvette rectangulaire, mais utilisent des dimensions partiellement distinctes pour la longueur, la largeur et l'épaisseur de l'éprouvette. L'ASTM D2344 décrit, en outre, une éprouvette incurvée, telle qu'elle pourra être prélevée par exemple dans un réservoir sous pression ou sur la paroi d'un tuyau.

Le dispositif d'essai utilisé pour le test ILSS devra lui même être en mesure de respecter les très petites prescriptions de tolérance exigées par les normes d'essai dans le montage d'essai.

Résistance à cisaillement interlaminaire ILSS
ASTM D2344, ISO 14130, EN 2377, EN 2563
vers Résistance à cisaillement interlaminaire ILSS

Essais servant à déterminer le taux de libération d'énergie interlaminaire

Afin de comprendre le comportement de délamination des stratifiés composites, le taux critique de libération d’énergie et le taux de libération d’énergie en cas de propagation continue des fissures sont déterminés à l'aide de méthodes d'essai de mécanique de la rupture. Pour la fabrication des éprouvettes, un stratifié, dans lequel une fissure artificielle sera créée dans le plan médian du stratifié au moyen d’un film plastique très fin et non adhésif (on utilise souvent des films de téflon), sera requis.

Les méthodes avec propagation des fissures liée à une charge de traction normale à la surface de la fissure (mode I) et propagation des fissures liée à une charge de cisaillement dans la section transversale du stratifié (mode II) sont les principales méthodes d’essai utilisées. Pour calibrer les méthodes numériques de calcul de la propagation des fissures dans un stratifié,une méthode d'essai pour charge mixte mode I+II est en outre proposée:

  • Mode I en tant que Double Cantilever Beam (DCB) Test selon ISO 15024, EN 6033, ASTM D5528, Airbus AITM1-0005 et Boeing BSS 7273
  • Mode II en tant que End-Notched Flexure (ENF) Test selon ASTM D7905, EN 6034, Airbus AITM1-0006 et Boeing BSS 7273
  • Mode II en tant que Calibrated End-Loaded Split (C-ELS) Test d’après ISO 15114
  • Mixed Mode I+II en tant que Mixed-Mode Bending (MMB) Test d’après ASTM D6671
Taux de libération de l'énergie G
Les taux de libération d'énergie appartiennent aux grandeurs caractéristiques de mécanique de la rupture et sont en principe déterminés en Mode I et Mode II.
vers Taux de libération de l'énergie G

Compression After Impact (CAI) Essai de compression

Le Compression After Impact (CAI) Test est une méthode d'essai permettant de déterminer la résistance à la compression résiduelle d'un stratifié après un dommage par impact. Pour ce faire, l'éprouvette à tester est pré-endommagée avec des énergies d'impact définies dans la norme d'essai correspondante. Cette méthode permet de tirer des conclusions sur la tolérance aux dommages d'un stratifié composite, afin de garantir la sécurité et la fiabilité des composants, notamment dans les structures composites potentiellement exposées aux impacts dans l'aéronautique.

Les méthodes d'essai normalisées suivantes se sont établies pour le test CAI: ASTM D7136 et ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM1-0010 et Boeing BSS 7260 Type II.

Compression After Impact CAI
ASTM D7136, ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM 1.0010, Boeing BSS 7260 type II
CAI sert à la caractérisation d'un dommage, pouvant notamment survenir sur les avions ou véhicules du fait de chutes de pierres ou de collisions avec des oiseaux ou encore d'accidents.
vers Compression After Impact CAI

Résistance à la friction des trous et résistance des assemblages

Outre les caractéristiques mécaniques des stratifiés en plastique renforcé par des fibres, des essais servant à déterminer la résistance des assemblages sont également requis pour la conception et le design des structures composites.

Les méthodes d'essai normalisées utilisées à cet effet peuvent être grossièrement divisées en trois domaines:

Lap Shear Test Composites
ASTM D5868, EN 6060, Airbus AITM 1-0019
Résistance des assemblages collés de stratifiés
vers Lap Shear Test Composites

Essai de fatigue sur composites

Des essais cycliques dynamiques sous charge de gonflement en traction sont notamment réalisés pour déterminer le comportement à la fatigue des stratifiés composites et en déduire les courbes de Wöhler. Les essais dynamiques sur composites sont normalisés selon l’ASTM D3479 et l’ISO 13003. L’ISO 13003 décrit en outre l'essai de fatigue des composites sous charge de flexion dynamique cyclique.

Les autres méthodes pour l’essai dynamique des composites sont:

  • Open Hole Tension et Open Hole Compression Fatigue d’après ASTM D7615
  • Propagation des fissures interlaminaires sous chargement de fatigue en mode I d’après ASTM D6115
  • Fatigue des assemblages vissés et essais dynamiques de friction de trous selon ASTM D6873 et Airbus AITM1-0074
  • L’AITM1-0075 de Airbus comporte un récapitulatif sur la réalisation des essais de fatigue ILSS, ILTS, OHT & OHC, FHT & FHC, Pull-Through, CAI et Lap-Shear.
Méthode d'essai cyclique dynamique
utilisées pour l'estimation de la durée de vie des éprouvettes, éléments structurels et composants notamment dans l'industrie médicale.
vers Méthode d'essai cyclique dynamique

Machine d’essai modulaire pour l’essai des composites

En utilisant plusieurs machines d'essais adaptées aux différents essais de composites, les grands laboratoires d'essais avec demandes d'essais élevées parviennent à minimiser les temps de transformation. Les différentes machines d'essais peuvent alors être adaptées à la plage de force de différents types d'essais. Lorsque la demande d'essais est trop peu importante ou irrégulière pour acquérir plusieurs machines d'essais, il peut être avantageux d'équiper une seule machine d'essais permettant de réaliser le plus grand nombre possible de méthodes d'essais à moindre impact en terme de travaux d'adaptation.

Pour ce faire, ZwickRoell a développé un concept de machines d’essais modulaires bien adaptées à l’essai des composites, disponible en machine d'essais statique 100kN ou 250kN, couvrant 21 méthodes d'essais et 120 normes d'essais environ (ISO, EN, ASTM, ainsi qu'Airbus AITM et Boeing BSS) et permettant une caractérisation complète des matériaux composites fibreux à température ambiante ou lors d'essais à basse ou haute température de -80°C à +360°C.

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