Mots clés : essai de fatigue, résistance à la traction, durabilité, ElectroForce, fatigue des polymères
EF038-FR
Résumé
Les polymères sont très sensibles à des cycles de charge et présentent généralement une résistance à la fatigue très inférieure à leur résistance à la traction mesurée. Malgré cela, les essais de fatigue sont souvent négligés dans la sélection des matériaux. Des échantillons de NORYL™ 731 ont été moulés par injection en utilisant un schéma à grille simple et double afin d’explorer l’impact des défauts de production, en utilisant des lignes de soudure comme représentation des imperfections. L’essai mécanique a montré que le module n’était pas affecté par la ligne de soudure et la résistance à la traction maximale (RTM) n’a été que marginalement affectée, mais l’allongement à la rupture a été significativement inférieur pour l’échantillon à double grille. L’essai de fatigue a montré une différence notable dans la résistance entre les échantillons : les échantillons à grille simple ont atteint 30 000 cycles à 50 % de leur résistance maximale, tandis que les échantillons à double grille n’ont atteint que 6 000 cycles à ce niveau de contrainte.
Introduction
La résistance mécanique est souvent un paramètre de conception essentiel dans la sélection des matériaux, et la durabilité doit également être prise en compte pour les pièces soumises à des stress cycliques, notamment des vibrations. La fatigue est l’un des mécanismes principaux de défaillance des pièces en polymère [1] ; même à des contraintes relativement faibles, la limite de fatigue des polymères peut être relativement faible, entraînant une défaillance du composant. La défaillance d’une pièce vers la fin du cycle de conception ou après le lancement du produit coûte cher, en temps et en argent, et un dépistage précoce de la limite de fatigue réduit les coûts, car il permet d’identifier et d’éliminer les défaillances par fatigue de façon précoce au cours du processus de conception [2].
La durabilité des polymères est fonction d’un certain nombre de facteurs, notamment la structure moléculaire, les effets de la température et la concentration des contraintes dans la conception de la pièce [2] [3]. En outre, pendant la production des pièces, des lignes de soudure, des vides et des contraintes internes peuvent être créés. Ces problèmes affectent les performances en matière de résistance à la fatigue, mais pas nécessairement les paramètres rapportés dans les fiches techniques standard, telles que le module ou la résistance à la traction. L’évaluation de la perte de la résistance et de la durabilité des matériaux en présence de ces défauts de production est une étape importante dans la sélection des matériaux et le processus de validation.
Cette note montre l’importance des essais de fatigue par l’évaluation des échantillons de NORYL 731 avec et sans lignes de soudure. La résistance mécanique et la durabilité des pièces sont mesurées, montrant la perte de résistance due à des cycles de charge et la manière dont les conditions de production peuvent exacerber cette perte.
Données expérimentales
Un mélange de polyphénylène éther (PPE) + polystyrène (PS) (NORYL 731) a été moulé par injection dans des bobines (dog bones) ASTM D638-22 Type 1 [5]. Un ensemble d’échantillons a été produit dans des échantillons à grille simple avec des propriétés constantes dans l’ensemble de la pièce ; le deuxième type d’échantillons a été produit en utilisant une procédure à double grille, formant une ligne de soudure au centre de la section de l’épaisseur. Des exemples de pièces à grilles simple et double sont présentés sur la Figure 1.
Des tests de résistance à la traction ont été réalisés conformément à la norme ASTM D638-22 à une vitesse de 2 po/min (50,8 mm/min). Cinq tests de résistance à la traction ont été effectués sur chaque type d’échantillon. Un dispositif TA Instruments™ ElectroForce™ 3330 de TA Instruments, présenté sur la Figure 2, a été utilisé pour l’essai de fatigue. Des échantillons ont été testés à 5 Hz en tension-tension et le cycle s’est déroulé de 100 % à 10 % de la charge maximum (R = 0,1). De l’air comprimé a été insufflé doucement sur l’échantillon pour s’assurer que l’auto-échauffement du matériau n’augmentait pas la température et n’influençait pas les résultats. Les températures des échantillons ont été contrôlées pendant tout l’essai.
Résultats et discussion
Les résultats des tests de résistance à la traction sont présentés dans le Tableau 1, qui indique la moyenne et l’écart type pour les cinq tests. Un changement minime a été observé dans le module des deux types d’échantillons. L’échantillon à double grille a montré une réduction modeste de la résistance à la traction et une réduction significative de l’allongement à la rupture par rapport à la grille simple.
Un allongement à la rupture inférieur signifie que la ductilité a été perdue, et les différences dans le comportement de l’échantillon peuvent être observées dans les courbes de résistance présentées sur la Figure 3. La perte de ductilité présentée par l’échantillon à grille simple aura un impact sur la durabilité, bien que l’ampleur réelle soit inconnue avec ce test.
L’essai de fatigue a montré une réduction significative de la durée de vie entre les échantillons à simple grille et à double grille. La Figure 4 montre la courbe S-N, c’est-à-dire la contrainte (stress, S) en fonction du nombre de cycles (N), et présente la résistance à la fatigue de l’échantillon à simple grille (bleu) et l’échantillon à double grille (orange). La durée de vie du matériau est fortement réduite avec l’augmentation des contraintes de fatigue appliquées, en particulier pour l’échantillon à double grille. Les échantillons à double grille ont montré une résistance à la fatigue d’environ 6-18 % de celle des échantillons à grille simple pour le même niveau de contraintes.
D’après la courbe S-N, l’échantillon à grille simple atteint 30 000 cycles à une charge de 50 % de l’UTS (ultimate tensile stress, résistance à la traction ultime), tandis que l’échantillon à double grille n’atteint que 6 000 cycles. En comparaison, les métaux présentent souvent une résistance à la fatigue d’un ordre de grandeur supérieure à celle-ci ; une résistance à la fatigue d’environ 50 % de l’UTS produirait une durée de vie de millions de cycles, approchant parfois la limite de résistance infinie.
Tableau 1. Résultat des tests de résistance à la traction*
| Module (MPa) | Résistance à la traction (MPa) | Résistance à la rupture (MPa) | Allongement à la rupture (%) | |
|---|---|---|---|---|
| Grille simple | 2330.4 ± 21.4 | 52.6 ± 0.2 | 47.3 ± 0.2 | 29.49 ± 2.74 |
| Grille double | 2289.5 ± 7.3 | 44.1 ± 0.1 | 44.1 ± 0.1 | 2.29 ± 0.01 |
| % de différence | 2% | 16% | 7% | 92% |
* Avec l’autorisation de The Madison Group
Conclusions
Les fiches techniques n’indiquent souvent pas la résistance à la fatigue des matériaux, malgré le fait que de nombreuses pièces subissent des charges répétées, et que la résistance à la fatigue des polymères est substantiellement inférieure à leur résistance à la traction. Les tests de résistance à la traction et de fatigue ont été réalisés sur des échantillons de NORYL 731 à simple et double grille, montrant que les lignes de soudure n’avaient que peu d’impact sur le module et la résistance à la traction, mais affectaient de manière significative la résistance à la fatigue et la ductilité de la pièce. Les tests avec un dispositif ElectroForce 3300 ont montré que les échantillons à double grille avec lignes de soudure présentaient une résistance à la fatigue égale à 6-18 % de celle de leurs correspondants à simple grille. Les échantillons à simple grille ont atteint 30 000 cycles à un niveau de contrainte de 50 % de l’UTS, tandis que les échantillons à double crise n’ont atteint que 6 000 cycles à ce niveau de contrainte. Outre la production de défauts, notamment des lignes de soudure, la fatigue des polymères peut être influencée par différents facteurs, notamment la température et les conditions de moulage. L’incorporation des essais de fatigue précocement au cours de la sélection des matériaux et de la procédure de développement des produits permet d’éviter des défaillances des produits et des coûts élevés provoqués par des changements tardifs du développement.
Références
- J. A. Jansen, « Webinar: « Fatigue of Plastic Materials », » Society of Plastics Engineers, 2016.
- B. Davis, P. Gramann and A. Rios, « Using Computer-Aided Engineering to Design Better Thermoset Composite Parts, » in Automotive Composites Conference and Expositions, 2002, 2002.
- T. H. Courtney, Mechanical Behavior of Materials, Long Grove, Illinois: Waveland Press, 2005.
- M. Eftekhari and A. Fatemi, « On the strengthening effect of increasing cycling frequency on fatigue behavior of some polymers and their composites: Experiments and modeling, » International Journal of Fatigue, vol. 87, pp. 153-166, 2016.
- ASTM International, « ASTM D638-22 Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics, » ASTM International, Conshohocken, PA USA, 2022.
Remerciements
Ce travail est effectué en collaboration avec The Madison Group Polymer Processing Research Corporation (The Madison Group).
Cet article a été rédigé par Jennifer Vail, PhD et Andy Simon de TA Instruments, et Jeffrey A. Jansen de The Madison Group.
Cliquez ici pour télécharger la version imprimable de cette note d’application.