Composites Essai

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.

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.

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:

• Essai de traction avec stratifié ±45° selon ISO 14129, ASTM D3518 et AITM1-0002
• Essai de cisaillement V-Notched Beam (Iosipescu) d’après ASTM D5379
• Essai de cisaillement V-Notched Rail d’après ASTM D7078

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.

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:

• L’essai de flexion 3 et 4 points d’après ISO 14125 et ASTM D7264
• Essai de flexion 3 points d’après EN 2562, EN 2746 et ASTM D790
• Essai de flexion 4 points d’après ASTM D6272

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.

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.

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

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.

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:

• Résistance des assemblages collés (Lap Shear Test) (Lap Shear Test) selon ASTM D5868, EN 6060 et Airbus AITM1-0019
• Résistance des assemblages vissés ou boulonnés et Résistance à la friction des trousavec chargement dans le plan du stratifié selon ASTM D5961, ASTM D7248, EN 6037, ISO 12815, Airbus AITM1-0009, AITM1-0065 et AITM1-0067
• Essai d’extraction de boulons et de rivets (Pull-through) avec chargement normal au plan du stratifié selon ASTM D7332 et Airbus AITM1-0066

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.