Dissertations / Theses on the topic 'Caoutchouc – Matériaux – Fatigue'

L’industrie automobile utilise de nombreuses pièces en caoutchouc aux fonctions antivibratoires, dont il faut garantir la tenue en service. L’objectif de ce travail de thèse est de proposer une méthode pour prévoir la durée de vie en fatigue d’une structure en caoutchouc naturel chargé au noir de carbone. La démarche proposée consiste à découpler l’évolution du comportement mécanique et l’endommagement sous chargement cyclique. On suppose qu’il existe un cycle stabilisé et que la durée de vie, définie comme l’amorçage d’une fissure détectable, ne dépend que des grandeurs mécaniques évaluées sur celui-ci. Les élastomères soumis à un chargement cyclique présentent un adoucissement associé à l’effet Mullins, qui se produit surtout pendant les premiers cycles, après lesquels la réponse du matériau reste identique. On propose un modèle capable de décrire cette réponse stabilisée, ne dépendant que des variables mécaniques en régime établi. Ses paramètres sont les élongations maximales dans un nombre fini de directions matérielles, de façon à décrire l’anisotropie induite par l’effet Mullins. Ce modèle est ensuite utilisé pour analyser un grand nombre d’essais d’endurance uniaxiaux et multiaxiaux, réalisés sur éprouvettes axisymétriques. On montre qu’il permet de prendre en compte efficacement l’influence du type de contrôle ou d’une précharge. L’analyse des essais multiaxiaux ne mettant pas en jeu de renforcement, c’est-à-dire passant par l’état de déformation nul, montre que la contrainte principale maximale est suffisante pour représenter tous les cas de chargement, à l’exception de ceux qui font intervenir des phénomènes de cumul multi-plans. On propose alors une loi de cumul d’endommagement pour représenter ce type de chargement
The automotive industry must ensure the service life of numerous rubber components used for anti vibratory purposes. This work aims at proposing a method to predict the fatigue life of a carbon-black reinforced natural rubber structure. The approach proposed here consists in uncoupling the evolution of the mechanics behaviour and damage under cyclic loading. We make the assumption that the behaviour tends to stabilize and that the lifetime, defined as the initiation of a crack, depends only on the mechanical variables in the stabilized state. Upon cyclic loading, elastomers experience a stress-softening phenomenon known as the Mullins’ effect. This phenomenon occurs mostly during the first few cycles, after which the response of the material remains unchanged by additional reloading. We propose a model to represent this stabilized state, supposed to depend only on some cyclic variables. The parameters are the maximum stretches reached in a finite number of material directions, in order to describe the anisotropy induced by the Mullins’ effect. This model is used to analyse a large number of uniaxial and multixial fatigue tests realised with cylindrical dumbbell specimens. We show its ability to take into account the type of control (force or displacement) and the influence of an initial overload. The analysis of the multiaxial data indicates that the maximum principal stress is well correlated with lifetime for all types of solicitations, excepting those which involve multi-plane cumulative damage. A cumulative damage law is proposed to account for these types of loading

Les élastomères sont renforcés grâce à l'incorporation de charges telles que les noirs de carbone ou encore la silice. Ce qui leur confère de meilleures propriétés (résistance à la rupture, abrasion, rigidité…). Actuellement, les charges renforçantes les plus souvent utilisées sont les noirs de carbone. La substitution de cette charge classique par la silice constitue un challenge dans l'industrie pneumatique. En effet, il est admis que la silice diminue la résistance au roulement des pneus, de matrice synthétique, tout en conservant une bonne adhérence. La particularité de cette étude est d’analyser l’influence du renfort par la silice sur le comportement mécanique en endurance du caoutchouc naturel. Son principal objectif est de comprendre l’influence de la morphologie de la silice (surface développée en interaction avec le caoutchouc, dispersibilité, activité chimique) sur le comportement mécanique et plus spécialement sur la durée de vie en fatigue du caoutchouc naturel ainsi chargé. L’élaboration de deux matériaux permettant d’établir l’influence de la morphologie de la silice constitue une première étape déterminante du travail. Elle se base sur l’incorporation de deux nuances de silice précipitée dans une matrice de caoutchouc naturel pouvant présenter des propriétés rhéologiques similaires. Les essais de caractérisation mécanique (monotones et cycliques) selon différents types de sollicitation (traction, compression, relaxation, traction cyclique, torsion) ainsi que des essais de traction in situ au MEB permettent d’identifier les mécanismes de déformation, de renfort et d’endommagement présents. L’interprétation des résultats de cette campagne expérimentale est basée sur une caractérisation microstructurale approfondie de l’état de dispersion de la silice ainsi que celui de la cristallisation de la matrice en caoutchouc naturel. Les résultats des essais de fatigue ainsi que les observations microscopiques des mécanismes de propagation des fissures en fatigue permettent d’établir un critère de durée de vie prenant en compte les modes de sollicitation (traction, compression, et torsion). Celui-ci est capable de prévoir la durée de vie ainsi que le lieu d’amorçage des fissures. Il s’avère que, selon le mode de sollicitation appliqué, les propriétés de dispersion de la silice sont plus ou moins importantes dans le renforcement et l’endurance du caoutchouc naturel chargé de silice. Ce travail fait donc appel à la physico-chimie, à la mécanique et aux observations microstructurales, en allant de l’élaboration des matériaux jusqu’à la modélisation mécanique du comportement et de la durée de vie
Natural rubber has long been reinforced by stiff fillers such as carbon black in order to improve mechanical properties (breaking strength, abrasion, rigidity…). The introduction of silica particles to the library of potential fillers offers new possibilities to further tailor the properties of Natural rubber via blending. Introduce silica instead of carbon black is a challenge in pneumatic industry. Synthetic-based elastomers filled with silica particles decrease in rolling friction of the tires while also retaining a good adherence. The goal of this study is to explore the influence of silica particles one the mechanical behavior, stiffness, strength, hysterisis, fatigue lifetime, of natural rubber. The main purpose is to understand the influence of the morphology of silica (Interaction surfaces between filler with rubber, dispersion with random distribution, chemical activity) on the mechanical behavior and on the fatigue lifetime. Also, Two blends with two different morphology of silica were produced. The both blends were made to obtain similar rheology properties. Experiments investigations were performed to identify the mechanical behavior such as (tension, compression, torsion ,cyclic loading, relaxation tests) and mechanisms of deformation and damage were estimated from uniaxial elongation in combination with in situ SEM micrographs tests. The micro-structure of the blends were studied through SEM observations and uniaxial elongation in combination with in situ X-ray. Theses studies indicate respectively a good dispersion of the filler and a crystallization of soft-segment induced by elongation. Fatigue experimental results with fractographic observations allow to built a new model of lifetime prediction. This model is able to predict the location and orientation of cracks as well as the fatigue lifetime. The life time experiments and numerical tests study shows how the two different silica particles reinforced natural rubber , when subjected to various mechanical loading conditions (uniaxial, hydrostatic, monotonic, cyclic)

La nature d'une élastomère le rend très sensible aux conditions dans lesquelles il est amené à fonctionner (aspect mécanique, thermique et chimique) rendant complexe son étude en fatigue. Nous nous sommes essentiellement focalisés sur le comportement en fatigue à l'amorçage, sujet peu abordé dans la littérature. L'objectif industriel est d'améliorer, dans un premier temps, un mélange chloroprène afin d'augmenter les durées de vie, puis de déterminer un paramètre mécanique représentatif de son comportement en fatigue. L'objectif scientifique est de pouvoir corréler des durées de vie sur pièces réelles et sur éprouvettes de laoratoire via une simulation éléments finis. Un paramètre scalaire a retenu notre attention : la dissipation d'énergie déterminée à partir d'un modèle visco-hyperélastique. De plus, différentes approches pour détecter l'amorçage d'une fissure (énergétiques, traitement du signal) ont été menées ainsi qu'une analyse critique de ces dernières
The behaviour of an elastomer being a close function of its service conditions (stress, temperature or the environment), it is very difficult to study its fatigue resistance. This study is focused essentially an crack initiation, a subject seldom studied. The aim of this study, in the industrial context is to increase the fatigue life of a chloroprene elastomer and to identify a mechanical parameter characteristic of fatigue. The second aim is to correlate laboratory specimen behavior with that of real components (tested in special set ups) by means of a finite element simulation. We have identified a scalar parameter, representing the dissipated energy and determined by a visco-hypereleastic constitutive low. Different crack techniques to detect crack initiation were tested and a critical analysis has beeen made on the efficiency of these techniques

Le caoutchouc naturel est connu pour ses excellentes propriétés mécaniques en fatigue multiaxiale et celles-ci sont généralement attribuées à sa faculté à cristalliser sous contrainte. Cependant, le lien entre la cristallisation sous contrainte et les propriétés mécaniques du caoutchouc naturel n’a jamais été établi. L’objectif de cette thèse est donc de comprendre l’origine des excellentes propriétés en fatigue multiaxiale du caoutchouc naturel chargé au noir de carbone, en considérant deux échelles d’étude fines, par opposition à l’échelle macroscopique généralement considérée. La première partie de la thèse est dédiée aux mécanismes de propagation des fissures de fatigue uniaxiale et de dissipation d’énergie à l’échelle des fissures et micro-fissures ; ces mécanismes sont déterminés grâce à des essais originaux de propagationin-situ observés au microscope électronique à balayage. Dans la deuxième partie de la thèse, la cristallisation sous contrainte est étudiée à l’échelle macromoléculaire, en déformation quasi-statique multiaxiale d’une part et en fatigue uniaxiale d’autre part, par des essais de diffraction des rayons X réalisés au synchrotron Soleil. Les différentes caractéristiques des cristallites, c’est-à-dire leur taille, orientation, nombre et paramètres de mailles sont mesurées lors des différents essais mécaniques. Il apparaît qu’en déformation multiaxiale, les cristallites sont de même taille et ont les même paramètres de maille que celles nucléées en déformation uniaxiale, mais leur orientation varie fortement avec la multiaxialité de la déformation et n’est pas influencée par le chemin de déformation. Enfin, on montre qu’en fatigue uniaxiale, les caractéristiques des cristallites évoluent avec le nombre de cycles, différemment en fonction des extensions minimales et maximales imposées à chaque cycle
Natural rubber is well-known for its excellent mechanical properties in multiaxial fatigue and those are generaly attributed to the ability of the material to crystallize when strained. However, the relationship between strain-induced crystallization and mechanical properties of natural rubber has never been established. The aim of this thesis is therefore to understand the origin of the great multiaxial fatigue properties of carbon black-filled natural rubber, by considering two small scales of study, as opposed to the macroscopic scale generally considered. The first part of this thesis is dedicated to uniaxial crack growth and energy dissipation mechanisms at the cracks and micro-cracks scale ; those mechanisms are determined thanks to original in-situ propagation tests observed with scanning electron microscope. In the second part of the thesis, strain-induced crystallization is studied at the macromolecular scale, in static multaxial deformation on the one hand and in uniaxial fatigue on the other hand, thanks to X-ray diffraction measurements performed at the Soleil synchrotron facility. The characteristics of crystallites, i. E. Their size, orientation, number and lattice parameters, are measured during the different mechanical tests. We observe that in multiaxial deformation, the crystallites are similar in size and have the samei lattice parameters than those nucleated in uniaxial deformation, but their orientation strongly varies with the multiaxiality of the deformation and is not influenced by the loading path. Finally, we show that in uniaxial fatigue, the characteristics of the crystallites evolve with the number of cycles, differently depending on the minimum and maximium stretch ratios reached at each cycle

Les délais de conception d'un nouveau véhicule sont aujourd'hui de deux ans contre cinq ans encore récemment. Si les aspects de comportement statique et dynamique des elastomères sont bien maîtrisés lors de la conception de nouveaux composants antivibratoires, la tenue en endurance des nouveaux produits reste un point critique. Les délais de développement sont incompatibles avec une boucle de conception basée sur des itérations successives validées sur banc d'essai d'endurance. Il est donc nécessaire de se doter d'un outil prédictif en fatigue permettant de quantifier numériquement la pertinence d'une solution technique avant sa validation définitive sur banc d'essai. Différents aspects du comportement en fatigue des élastomères sont étudiés dans ce mémoire afin de proposer un outil prédictif robuste face aux principales exigences industrielles. Quatre axes principaux sont traités : le cas des durées de vie extrêmes (longues et courtes), le phénomène de renforcement (augmentation de la durée de vie lors d'essais à rapport de charge positif), l'influence de la température sur la tenue en endurance et la prédiction de la durée de vie sous chargement multiaxial. Chacun de ces axes est analysé à partir d'une part des lois de propagation et d'autre part des lois d'amorçage. La synthèse des lois de propagation et des lois d'amorçage permet d'identifier les analogies existant entre ces deux approches et de montrer que ces deux phénomènes sont régis par des mécanismes physiques similaires
The delivery time for a new car project was previously five years and is now two years. In this context, the numerical simulation should replace experiments in order to sufficiently reduce the design time of new components. Nowadays, simulation of static and dynamic responses of new AVS components is widely used during the design loop, but duration life estimation remains a critical objective for rubber manufactures. In this context, a fatigue life criterion is a necessary pre-requisite to numerically establish the relevance of technical solutions before their experimental validation. In this work, several aspects of fatigue of rubbers are studied : 1 – very long and very short duration life, 2 – reinforcement phenomenon under non-relaxing conditions, 3 – temperature influence and 4 – multiaxiality effects. For each case, propagation law and initiation law are investigated in order to demonstrate that propagation and initiation were drive by similar physical mechanisms

Cette thèse de doctorat vise à caractériser expérimentalement la propagation de fissures de fatigue dans le caoutchouc naturel, en s’intéressant notamment à la zone située au voisinage de la pointe de fissure et au phénomène singulier de cristallisation sous tension. Les travaux ont pour objectif principal d’expliquerla remarquable résistance à la fissuration du caoutchouc naturel rapportée depuis un certain nombre d’années dans la littérature. Des essais de mesure de vitesse de propagation de fissure en fatigue sont d’une part menés de sorte à cerner l’influence de divers paramètres expérimentaux tels que la nature de la matrice élastomère, le taux de noir de carbone incorporé à cette dernière et les conditions de sollicitation, sur la résistance à la propagation. D’autre part, différentes méthodes expérimentales sont mises en oeuvre à différentes échelles pour caractériser la zone se trouvant au voisinage de la pointe de fissure. Un rayonnement synchrotron permet notamment de caractériser le phénomène de cristallisation par la technique de diffraction des rayons X aux grands angles. Ces résultats expérimentaux sont également comparés aux mesures de champs de déformation par la technique de corrélation d’images numériques. Par ailleurs, la mise en place d’un essai de fatigue au sein d’un microscope électronique à balayage permet d’observer in situ les mécanismes de propagation présents en fond de fissure. Finalement, la confrontation de l’ensemble de ces résultats expérimentaux mène à discuter de l’influence que peut avoir le phénomène de cristallisation sous tension sur la résistance à la propagation de fissure en fatigue
This PhD thesis aims to experimentally characterizethe fatigue crack growth behaviour in natural rubber, and is particularly interested in the neighbourhood of thecrack tip where the well-known phenomenon of straininduced crystallization takes place due to the large strains in this region. The final goal is therefore to explain the outstanding fatigue properties and crack growth resistance of natural rubber which are recognized for a while in literature. On the one hand, fatigue crack growth rate tests are performed to evaluate the influence of various parameters such as the type of elastomer, the carbon-black content and non-relaxing conditions, on the fatigue crack growth resistance. On the other hand, various experimental methods are used at different scales to characterize the fatigue crack tip neighbourhood. First of all, a synchrotron radiation allows us to measure quantitatively the strain-induced crystallization phenomenon at the crack tip using the wide-angle X-ray diffraction method. Moreover, those results are related to strain field measurements obtained by digital image correlation. Besides, an original fatigue experiment performed in a scanning electron microscope enables us to observe in situ the fatigue crack growth mechanisms at the crack tip. Finally, all these experimental results, compared to macroscopic measurements of fatigue crack growth rates in our samples, lead to a discussion about the influence that has the strain-induced crystallization phenomenon on the resistance to fatigue crack growth in natural rubber

Trois étapes sont mises en oeuvre ici : la méthode de localisation, la fonction de dommage matériau et le processus de détermination des chargements équivalents en fatigue (CEF). De nombreux essais de fatigue ont été réalisés (415 au total) pour étudier le comportement en fatigue sous chargement multiaxial relaxant et non relaxant sur des éprouvettes de caoutchouc naturel. La durée de vie et les caractéristiques des fissures sont analysées pour finalement introduire un critère de fatigue approprié basé sur le plan critique et permettant de rendre compte de l'effet de déformation moyenne. Ce critère est généralisé à travers une méthode originale de recherche du plan critique. Pour estimer la réponse mécanique locale (méthode de localisation), une méthode de couplage des axes adaptée à la nature non linéaire des structures élastomères est proposée. Elle est basée sur la décomposition multiplicative des tenseurs du gradient de la déformation. Ces deux étapes sont ensuite mises en oeuvre dans le cadre du processus de détermination du CEF. Pour cela, une méthode d'optimisation globale est ajoutée pour déterminer les chargements simplifiés, induisant partout localement le même endommagement en fatigue dans la structure étudiée que le RLD. Le temps de calcul de cette optimisation est réduit en ne considérant qu'un sous-ensemble de points matériels, les plus endommagés, pour la détermination du CEF. Enfin, la méthode a été testée sur une éprouvette afin de souligner ses capacités et de valider l'approche
This thesis introduces an Equivalent Fatigue Load (EFL) approach for the multiaxial fatigue design of elastomeric parts. As direct Finite Element Analysis (FEA) calculations of automotive in-service loads (Road Load Data (RLD)) are too expensive, the objective is to derive simplified load blocks as a realistic input for numerical damage calculations. Three streps are applied for this method: the localization method, the material damage function and the EFL determination process. Various fatigue tests have been conducted (415 samples) to study the fatigue behavior of this complex type of relaxing and non-relaxing multiaxial loading on natural rubber specimens. Lifetime and crack features are analyzed to eventually introduce an appropriate critical planebased fatigue measure and to establish a novel mean strain effect model. This criterion is generalized throughout an original critical plane search method. To estimate the local mechanical response (localization method), this thesis identifies an axes-coupling method that is fitted for the nonlinear nature of elastomeric structures. It is based on the multiplicative decomposition of the deformation gradient tensors. These two steps are then implemented in the framework of the EFLdetermination process. For this, a global optimization method is added to determine the simplified load blocks, causing locally the same fatigue behavior in the given structure. The computational costs of this optimization are reduced by only considering a subset of the most damaged material points for EFLdetermination. Finally, the method has been challenged on a specimen to outline its capabilities and to validate the approach

L'optimisation de la tenue en fatigue de la poulie découpleuse requiert la compréhension des mécanismes d'endommagement mis en jeu lors du fonctiontionnement du corps caoutchouc. Bien que l'endurance des élastomères ait fait l'objet de nombreux travaux, la fatigue du HNBR renforcé de noir de carbone est peu décrite dans la littérature. L'objectif de cette étude est d'appréhender l'influence de la charge sur ces mécanismes complexes au travers des modifications induites par le renfort sur la microstructure et les propriétés dynamiques. Les deux mécanismes d'endommagement à l'amorçage initient de multiples microfissures qui se propagent en rosace. La taille et le nombre de pétales dépendent alors du type de noir de carbone. Ces caractéristiques sont représentatives de la vitesse de fissuration et elles décrivent un mécanismede rotation de fissure. L'influence de la charge sur l'endommagement est mise en évidence par RMN du solide H. Cette technique originale s'avère être un outil puissant dans l'étude de la dégradation de caoutchoucs à formulation complexe. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives dans l'appréhension des mécanismes d'endommagement
The fatigue resistance optimization of the alternator pulley needs to understand damage mechanisms influence on the rubber fatigue behaviour used in mecanical power transmission. Although the toughness of rubber was log time studed, the fatigue of HNBR filled with carbon black is not described in literature. The aim of this work is to understand the influence of filler on theses complex mechanisms through the modifications induiced by filler on the microstructure and dynamical properties. Two damage mechanisms at starting initiate several microcracks which are propagated in rosette forme. Size and number of petals depend on the type of carbon black. This characteristics represent the cracking speed and they describe a mechanisme of crack rotation. The influence of filler on the damage is highlighted by solid NMR H. This original technique proves to be a power technique for studying degradation of rubber having a complex formulation. These results open new propects in order to understand damage mechanisms

Cette étude porte sur la réticulation du caoutchouc naturel époxydé (ENR) par les acides dicarboxyliques, via les sites époxy. La réaction de réticulation de ces élastomères fonctionnalisés, contenant 10 à 50 % en moles de sites époxy réactifs, a été suivie par rhéologie à 180°C. Les matériaux obtenus ont été caractérisés par des expériences de traction, par analyse mécanique dynamique et pas DSC. L'étude de mélanges binaires d'ENR et d'acide dodécanedioïque a montré que les propriétés mécaniques sont optimales pour un certain ratio d'agent réticulant, mais qu'elles sont limitées par le long traitement thermique nécessaire pour réticuler le matériau (3 heures). L'ajout de 1,2-diméthylimidazole (DMI) a permis d'augmenter considérablement l'efficacité de la réaction (plateau atteint en seulement 20 minutes). Une quantité équimolaire d'accélérateur et de fonctions carboxyliques est nécessaire pour optimiser la cinétique et les propriétés des matériaux à la rupture. Ceci est associé à la formation d'un dicarboxylate d'imidazolium, soluble dans la matrice élastomère. Le rôle de cet intermédiaire a été mis en valeur par des expériences de RMN du solide, couplées à de la RMN en solution sur un polyisoprène liquide époxydé. Ces expériences de RMN ont également confirmé que les ponts du réseau étaient des liaisons esters, et ont permis d'établir la régiosélectivité de la réaction. L'ajout de charges et d'antioxydants a permis de développer un matériau industriel. Des expériences de fatigue et de vieillissement sur ces systèmes chargés montrent que les performances des réseaux ester se comparent favorablement à celles des réseaux obtenus par vulcanisation classique au soufre ou au peroxyde.

Les caoutchoucs naturels chargés sont largement utilisés pour leurs excellentes propriétés mécaniques comme matériaux structurels dans les pneumatiques. Leurs excellentes performances sont souvent associées à leur capacité à cristalliser sous tension. Dans le cas de la fatigue cyclique, la dissipation induite par la création et fusion de cristallites est souvent donnée comme responsable de la bonne résistance des caoutchoucs naturel à la propagation de fissures. Ce travail de doctorat s'est focalisé sur les divers mécanismes dissipatifs qui sont activé par les grandes déformations rencontrées près d'une pointe de fissure. La diffusion des rayons X a été utilisée pour caractériser les changements de structure à des échelles sub-microniques, tels que la cristallisation sous tension, la création de nano-cavités, ou la réorganisation de la charge. Un premier volet de l'étude s'est focalisé sur des tests uniaxiaux, afin d'étudier l'effet d'un changement de formulation du matériau (taux de charge, densité de réticulation), d'un vieillissement thermique, ou encore d'une élévation de la température sur ces modification de structure. Dans une seconde partie, une caractérisation complète de fissures de fatigue a été effectuée. La corrélation d'image numérique a été utilisée pour mesurer les déformations locales au voisinage d'une pointe de fissure, et les rayons X ont permis d'y associer une mesure locale de la structure du matériau. Les propriétés de fatigue de ces matériaux ont été mit en regard des structures observées afin de discuter leur relation. Il a été mis en évidence que le rôle de la cristallisation dépassait largement sa contribution à la dissipation locale
Filled natural rubbers are widely used in structural parts such as tires for their outstanding mechanical properties. Their exceptional behavior is often associated to the ability of natural rubber chains to form a crystalline structure under tension. In the case of cyclic fatigue cracking, the dissipation added through crystallization and melting at the crack tip is often seen as the main reinforcing mechanism that reduces fatigue crack growth. This PhD work focused on all the dissipative mechanisms activated by the strain amplification near a crack tip. An extensive use of X-ray scattering was made to investigate sub-micronic changes in structure (strain-induced crystallization, cavitation, filler network). A study was made in uniaxial tension to understand the effects of material composition and test environment on these structure changes. The effect of filler volume fraction, crosslink density, thermal ageing and test temperature were considered. This study was followed by a complete description of several fatigue crack-tips. Digital image correlation was used to map the strain fields at the vicinity of the cracks, while X-ray mapping of the process zone gave information on the local changes in structure. The cyclic fatigue properties of the materials were then discussed through the knowledge acquired both in uniaxial tension and near crack-tips. It showed that the effect of strain induced-crystallization far outweigh the dissipation added

Cette thèse de doctorat s’intéresse au comportement en fatigue d’élastomères EPDM utilisés dans l’antivibratoire automobile. Elle a pour but d’identifier les défauts critiques vis-à-vis de la résistance en fatigue, de comprendre les mécanismes d’amorçages et de propagation autour de ces derniers, de quantifier leur criticité et enfin de comprendre l’origine de la grande dispersion des durées de vie en fatigue généralement constatée sur ces matériaux. Pour répondre à ces objectifs, la thèse se divise en quatre parties. En premier lieu, le contexte bibliographique et les outils expérimentaux sont présentés. Ensuite, il est proposé de caractériser les propriétés en fatigue des EPDM de l’étude. Les approches en durées de vie et en propagation sont alors employées. De plus, une procédure de caractérisation rapide des durées de vie en fatigue utilisant l’auto-échauffement est développée. Puis, l’endommagement en fatigue à l’échelle microscopique est analysé. Un scénario d’endommagement en fatigue de l’EPDM est alors proposé. De plus, une procédure originale utilisant des défauts calibrés est développée dans le but de quantifier l’influence de la taille des défauts. L’analyse des vitesses de propagation des petites fissures permet par la suite de mettre en évidence un régime de « fissures courtes » pour les EPDM étudiés. Finalement, les durées de vie en fatigue sont reliées aux caractéristiques géométriques et microstructurales des défauts. Une relation claire apparait alors entre la taille des défauts, la déformation locale et la durée de vie en fatigue, quel que soit le type de défaut considéré (bavure ou inclusion). La dispersion des résultats en fatigue peut donc s’expliquer par les variations naturelles de microstructure entre les éprouvettes
The present PhD thesis focuses on the fatigue behavior of EPDM elastomers used in antivibration automotive applications. The objectives are to identify the critical defects with regard to fatigue resistance, to understand the crack initiation and propagation mechanisms around them, to quantify their criticality and finally to understand the origin of the large fatigue lifetime scatter usually observed on these materials. To meet these objectives, the thesis is divided into four parts. First, the bibliographic context and experimental tools are presented. Next, it is proposed to characterize the fatigue properties of the studied elastomers. The two classical approaches of fatigue are then used: lifetime and propagation. Moreover, a procedure for rapid fatigue life characterization using self-heating measurements is developed. Then, fatigue damage at the microscopic scale is analyzed. A fatigue damage scenario for EPDM is then proposed. Furthermore, an original procedure using calibrated defects is developed in order to quantify the influence of defect size. The crack growth rate analysis of small cracks then reveals a "short crack" regime for the studied EPDM. Finally, fatigue lifetimes are linked with the geometric and microstructural features of the critical defects. A clear relationship then appears between the size of the defects, the local strain and the fatigue life, regardless of the type of defect considered (parting line or inclusions). The scatter in fatigue life results can therefore be explained by the natural variations of microstructure between the specimens

Cette thèse comporte une étude expérimentale sur la dynamique de croissance par fatigue d’une fissure dans un caoutchouc naturel renforcé avec des nanoparticules (silice, noir de carbone). Elle s’inscrit dans un cadre industriel visant à mieux comprendre si l’amélioration des performances apportée par la silice dans les caoutchoucs synthétiques est transposable au caoutchouc naturel qui cristallise sous contrainte. L’objectif est de comprendre comment la rupture en fatigue dépend de la nature du matériau et des paramètres de contrôle de l’expérience. La dynamique de croissance de la fissure est suivie à l’aide d’une caméra optique et une caméra infrarouge permet d’évaluer l’auto-échauffement. La morphologie des faciès de rupture est caractérisée par observation post mortem (MEB, profilométrie optique). L’influence de la température, de la fréquence, de la nature et du taux de charge a été étudiée. Dans tous les cas, la croissance de la fissure devient instable à partir d’un certain niveau de déformation. Cela se traduit sur les courbes de l’énergie de déchirure en fonction de la vitesse de la fissure par l’existence de deux branches distinctes : une branche à vitesse basse où une morphologie de rupture très rugueuse, pouvant présenter des signes de cavitation, est observée ; une branche à haute vitesse où la surface de rupture présente des stries dont la taille croît avec la vitesse. En contraste avec les données de la littérature, nous démontrons qu’il faut au minimum deux cycles de fatigue pour former une strie. Le seuil d’apparition des instabilités et le seuil de rupture catastrophique dépendent de la nature des renforts et des conditions expérimentales
In this thesis, we present an experimental study on fatigue crack growth dynamics in a natural rubber filled with silica or carbon black nanoparticles. This work has been developed in an industrial context aiming to transpose the qualities of silica filler on synthetic rubber to natural rubber, which has a strain induced crystallization behavior. The main research objective is to understand the influence of material and test parameters on fatigue fracture of rubber. Crack growth dynamics is followed by video tracking using optical and thermo-graphic cameras. The later allows us to measure the heating build-up of specimens due to cyclic loading. The morphology of rupture surfaces is characterized by post mortem observation (SEM, optical profilometry). The influence of temperature, frequency, kind of filler and filler rate has been studied. Whatever the compound or test conditions, crack growth becomes unstable starting at a certain strain level. This behavior is clearly visible on the curves of tear energy vs. crack growth rate, where two branches of crack velocity appear. In the low velocity branch, the roughness of rupture surfaces is very important because of cavities formation. In the high velocity branch, the morphology of rupture surfaces is characterized by sawtooth striations; their size increase with velocity. We demonstrate that, in contrast with literature data, at least two fatigue cycles are needed to form one striation. The instability occurrence and catastrophic rupture thresholds depend on filler type and test conditions

Cette thèse de doctorat s’intéresse à la fatigue des élastomères, et plus particulièrement des caoutchoucs nitrile hydrogénés (sigle HNBR en anglais). Les HNBR sont des élastomères de haute performance,classiquement utilisés pour des applications industrielles à haute température où une bonne résistance chimique aux hydrocarbures est également requise.La thèse est divisée en trois parties principales.En premier lieu, des améliorations majeures pour les expériences de durée de vie en fatigue des élastomères sont proposées. Une approche expérimentale originale permettant le pilotage des essais en contrainte vraie est détaillée.Grâce à cette méthode, la première « vraie »courbe de Wöhler (contrainte vraie en fonction du nombre de cycles) pour des élastomères est tracée. Ensuite, des outils statistiques, issus de la recherche médicale, permettent une analyse probabiliste des résultats présentant une grande dispersion et des durées de vie censurées.Dans un second temps, ces nouveaux outils sont utilisés pour étudier l'effet de la formulation chimique – les taux d’acrylonitrile et d'hydrogénation notamment - sur la résistance en fatigue du HNBR à 120 oC. Ces résultats sont complétés par des expériences de propagation de fissure de fatigue et par une analyse de l'endommagement. Finalement, l'influence du vieillissement thermique sur la résistance en fatigue du HNBR est étudiée ; deux nouveaux essais sont développés : des essais simultanés de vieillissement et de fatigue, et des expériences de fatigue sur des échantillons préalablement vieillis.De plus, la cristallisation sous tension dans le HNBR est pour la première fois étudiée de manière quantitative
The present PhD thesis is devoted to investigation of fatigue in elastomers, andmore particularly of carbon black-filled hydrogenated nitrile butadiene rubber (HNBR).HNBR is a high performance elastomer classically used for high temperature industrial applications, where high resistance to industrial solvents is also required.The thesis is divided into three main parts.First, major improvements of testing procedures utilized in fatigue life testing ofelastomers are proposed. An original method to prescribe the true stress throughout fatigue experiments is developed; it permits to plot the first “true” Wöhler curve, i.e. true stress vs.number of cycles, for elastomers. Then,statistical tools, widely applied in medical research, are adopted for a comprehensive probabilistic analysis of fatigue life results that exhibit high scatter and censored lifetimes.Second, these novel tools are used to investigate the effect of chemical formulation -acrylonitrile content, percent hydrogenation,and of a composite blend - on fatigue resistance of HNBR at the service temperature of 120 oC. In addition to these fatigue life tests,fatigue crack propagation experiments and microscopic fatigue damage analysis are carried out. Third, the influence of thermal aging on fatigue performances of HNBR is investigated.To this end, two additional fatigue life tests are carried out: simultaneous aging and fatigue experiments, and fatigue experiments on preaged samples.Additionally, strain-induced crystallization in HNBR is studied; for the first time, quantitative relationships between crystallization, strain,and stress are established for unfilled HNBR blends

Dans les conditions réelles d’utilisation, de multiples facteurs sont à l’origine de l’évolution des propriétés mécaniques des caoutchoucs (température, oxygène, conditions de chargement mécaniques…). Les pièces en élastomère pour l’antivibratoire automobile sont généralement massives (plusieurs millimètres d’épaisseur), le vieillissement conduit alors à des évolutions de propriétés hétérogènes. Ceci peut être induit par plusieurs mécanismes de dégradation liés, par exemple, à la présence ou non d’oxygène. Pour comprendre et identifier les mécanismes de dégradation prépondérants, une campagne de vieillissement accéléré a été menée pour une large gamme de températures représentative des conditions de service rencontrées sur véhicule (de 40°C à 120°C). De nombreux échantillons de géométries différentes (films minces, éprouvettes de caractérisation et éprouvettes de structure) ont été utilisés afin, d’une part, de faciliter l’interprétation, et d’autre part, de viser la transposition des résultats à l’échelle des pièces industrielles. L’étude présentée ici vise à identifier les mécanismes physico-chimiques et/ou évolutions microstructurales à l’origine du processus de dégradation, et de quantifier les conséquences de ceux-ci sur le comportement mécanique et les propriétés en fatigue. Ces résultats permettront de fournir les éléments nécessaires à la modélisation et la prise en compte fine des effets du vieillissement dans le processus de conception de pièces antivibratoires automobiles
Under service conditions, many factors are responsible for the evolution of the mechanical properties of rubber parts (temperature, oxygen, mechanical loadings, etc.). Automotive anti-vibration parts using rubber-like materials are usually massive and ageing can therefore lead to heterogeneous properties. To understand the degradation process and especially the effect of oxygen, aerobic and anaerobic ageing conditions have been studied for a wide range of temperatures (from 40°C to 120°C). Numerous samples have been used with different geometries (from thin films to massive structural samples) to ease the interpretation but also to remain as close as possible from the final applications. The mechanical consequences of the ageing have been investigated for both static and fatigue properties throughout a wide experimental database (about 1000 specimens tested in fatigue, for example). The study aims at identifying the physicochemical mechanisms and/or microstructural evolution that cause the processes of degradation and to quantify the consequences on the mechanical behavior and the fatigue properties. These results will provide the necessary elements needed for the integration of thermo-oxidative effects in the fatigue design loop of automotive anti-vibration parts

Les propriétés en fatigue d’élastomères renforcés au noir de carbone sont fortement conditionnées par leurs populations d’inclusions, qui sont générées par une formulation complexe et les étapes successives du procédé de fabrication (mélangeage, injection et réticulation). L’optimisation de ces propriétés implique d’abord être capable de décrire les caractéristiques statistiques de ces populations d’inclusions en termes de nature, taille, géométrie, orientation et dispersion spatiale. Ensuite, une compréhension fine des mécanismes de ruine est requise afin de définir la criticité des inclusions en terme de tenue mécanique en fonction de leurs caractéristiques, en particulier sous chargement cyclique. Cette étude présente d’abord les outils développés, qui reposent sur une analyse fine de données de micro-tomographies aux rayons X. Les résultats obtenus sur les populations d’inclusions et l’endommagement induit par ces dernières permettent de dégager le potentiel de ces outils et leurs limites actuelles, pour les matériaux considérés. L’existence d’inclusions atypiques, qui n’avaient jusque-là jamais été recensées dans la littérature, a ainsi pu être découverte. Le mécanisme de cavitation apparaît être le plus critique vis-à-vis de la fatigue puisqu’il semble mener à des micro-fissures se propageant dans la matrice. Une comparaison de la criticité des paramètres des inclusions vis-à-vis d’un critère en cavitation est réalisée graçe à une analyse paramétrique par éléments finis. Enfin, des mesures thermographiques à l’échelle des inclusions illustrent les investiguations complémentaires nécessaires à une meilleure compréhension des mécanismes d’endommagement à cette échelle
The fatigue properties of carbon black filled elastomers are strongly related to the inclusions’ population, induced by complex recipes and the successive stages of the manufacturing process (mixing, injection and curing). The improvement of these properties involves at first an ability to describe the statistical features of these inclusions’ population in terms of nature, size, geometry, orientation and spatial distribution. Then, a detailed understanding of the damage mechanisms is required in order to define the mechanical criticality of inclusions according to their characteristics under cyclic loading. This study presents at first the tools developed, based on a detailed analysis of X-ray micro-tomography data. The obtained results on the inclusion’s populations and the damage induced allow highlighting the potential of these tools and their current limits for the studied materials. Atypical inclusions, unknown in the litterature, has been discovered. The cavitation mechanism appears to be the most critical regarding fatigue because it leads to micro-cracks that propagate in the matrix. A comparison of the criticality of the inclusions’ parameters regarding a cavitation criterion is carried out with a parametric study using finite elements simulations. Finally, thermographic measurements at the inclusions’s scale show the additional investiguations needed for a better understanding of the damage mechanisms at this scale

Cette thèse de doctorat s'intéresse au comportement en fatigue du caoutchouc naturel (CN). Les CN présentent des propriétés physiques extraordinaires, typiquement l'habilité de cristalliser sous tension qui est responsable de leur haute résistance en fatigue. La cristallisation sous tension (CST, en français) est un phénomène hautement thermosensible. Mieux comprendre comment la CST renforce la durée de vie et comment la température altère cette propriété est donc un point clef afin d'améliorer la durabilité des élastomères. La présente thèse est divisée en trois parties. La première est dédiée à l'investigation du comportement en fatigue du CN à 23°C, elle confirme que la CST est responsable d'un renforcement en durée de vie. Par ailleurs, une analyse fractographique est menée afin de mieux comprendre les mécanismes de renforcement. Parmi les différents résultats obtenus, de nouveaux éléments sur le phénomène de formation de stries de fatigue sont proposés. La seconde partie traite de l'effet de la température sur le renforcement induit par la CST sous des chargements non-relaxants. De manière surprenante, un renforcement en durée de vie s'opère encore à 90°C, bien que la CST soit admise comme étant significativement atténuée, voire annulée à température élevée. En revanche, les effets de la CST disparaissent à 110°C. La troisième partie présente la construction d'un modèle de prédiction de durée de vie pour des chargements à amplitude variable. Le modèle prend en compte le renforcement en durée de vie induit par la CST, l'effet de la température ainsi que la non-linéarité de l'endommagement
The present thesis is dedicated to the investigation of the fatigue behavior of natural rubber (NR) under fatigue loadings. Natural rubbers exhibit extraordinary physical properties, typically the ability to crystallize under tension that is assumed to be responsible for their high fatigue resistance. Strain-induced crystallization (SIC) is a highly thermosensitive phenomenon. Better understanding how SIC reinforces the fatigue life and how temperature affects this property is therefore a key point to improve the durability of rubbers. The present thesis is divided in three parts. The first one is dedicated to the investigation of the fatigue behavior of NR at 23°C and confirms that SIC is responsible for a lifetime reinforcement. Furthermore, a post-mortem analysis is carried to better understand the reinforcement mechanisms. Among the different results obtained, new elements are provided on the fatigue striation phenomenon. The second part addresses the effect of temperature on the SIC-induced reinforcement under non-relaxing loadings. Surprisingly, a lifetime reinforcement still occurs at 90°C although SIC is assumed to be significantly attenuated if not cancelled at elevated temperatures. No SIC effect was observed at 110°C. The third part deals with the construction of a lifetime prediction model for variable loading amplitudes. This model accounts for the lifetime reinforcement due to SIC and the effect of temperature, as well as for non-linear damage

Les caoutchoucs utilisés dans les applications d’ingénierie sont souvent sollicités cycliquement et présentent une réponse thermomécanique complexe dépendante du temps. Établir le couplage entre les différents phénomènes inélastiques, apparaissant généralement ensemble au cours de l’historique du chargement cyclique, est une question ouverte à résoudre. Cette thèse est dédiée à la formulation et à la vérification expérimentale de modèles de comportement thermomécaniques pour les caoutchoucs. Le mémoire de thèse est divisé en deux parties. La première partie est axée sur les caoutchoucs renforcés par du noir de carbone. Les effets du pré-étirement et de la teneur en noir de carbone sur la réponse cyclique d'un caoutchouc synthétique représentatif (SBR) sont analysés qualitativement et quantitativement à l'aide de la théorie des variables internes. Une interprétation des mécanismes physiques sous-jacents est proposée dans laquelle deux types de réarrangements dissipatifs du réseau de chaînes sont considérés, à savoir les réarrangements recouvrables induisant une viscoélasticité et les réarrangements non recouvrables induisant un endommagement. Afin de prédire l'ensemble des principaux effets inélastiques (l’adoucissement de la contrainte induit par la fatigue et l’hystérésis ainsi que la dissipation thermique), nous avons formulé un nouveau modèle constitutif thermo-viscoélastique endommageable basé sur la théorie des variables internes. Le modèle constitutif proposé est implémenté dans un code éléments finis et des applications numériques sur des structures en caoutchouc sont effectuées. Les capacités prédictives du modèle sont vérifiées par des comparaisons avec nos observations expérimentales. La seconde partie est consacrée aux caoutchoucs cristallisables par étirement. Nous avons développé un nouveau modèle physiquement fondé inspiré du micro-mécanisme pour décrire l'évolution progressive du degré de cristallinité dans les caoutchoucs et leur réponse thermomécanique dépendante du temps dans le contexte de la thermodynamique des processus irréversibles. Dans ce modèle, la configuration moléculaire d’une chaîne partiellement cristallisée est analysée et calculée au moyen de certaines méthodes mécaniques statistiques. Notre approche est implémentée dans le modèle micro-sphère dans le but d'introduire l'anisotropie et la dissipation induites par la cristallisation d’un réseau de chaînes. Le modèle constitutif proposé est ensuite utilisé pour discuter certains aspects importants du micro-mécanisme et de la réponse macroscopique à l'état d'équilibre et à l'état non équilibré pendant l'étirement/la recouvrance/la relaxation continue. Les simulations du modèle sont également comparées aux données expérimentales à différents niveaux d'étirement et à différentes températures. Les champs locaux en termes d'anisotropie et de dissipation sont présentés à l'aide d'exemples numériques
Establishing the coupling between the different inelastic phenomena, usually appearing together during the cyclic loading history, is an open issue to be addressed. The Phd report is divided into two parts. The first part is focused on filled rubbers. The effects of pre-stretch and filler content on the history-dependent cyclic response of a representative carbon-filled synthetic rubber (SBR) are qualitatively and quantitatively analyzed by using the internal state variable theory. An interpretation of the underlying physical mechanisms is proposed in which two types of dissipative network rearrangements are considered, i.e. recoverable rearrangements inducing viscoelasticity and unrecoverable rearrangements inducing damage. In order to predict the main set of inelastic fatigue effects (fatigue-induced stress-softening and hysteresis along with dissipative heating), we formulate a new thermo-viscoelastic-damage constitutive model based on the internal state variable theory. The proposed constitutive model is implemented into a finite element program and numerical applications on rubber structures are performed. The predictive capabilities of the model are verified by comparisons with our experimental observations. The second part is focused on stretch-induced crystallizable rubbers. We develop a new micro-mechanism inspired molecular chain model to describe the progressive evolution of the crystallinity degree in rubbers and the history-dependent thermo-mechanical response within the context of the thermodynamic framework. In this model, the molecular configuration of the partially crystallized single chain is analyzed and calculated by means of some statistical mechanical methods. Our approach is implemented into the micro-sphere model in the aim to introduce the crystallization-induced anisotropy and dissipation. The proposed constitutive model is then used to discuss some important aspects of the micro-mechanism and the macro-response under the equilibrium state and the non-equilibrium state involved during stretching/recovery/continuous relaxation. The model simulations are also compared to experimental data at different stretch levels and temperatures. Local fields in terms of anisotropy and dissipation are presented on illustrative numerical examples

Les élastomères présentent une diversité d'utilisation et des caractéristiques mécaniques spécifiques (grandes déformations, comportement dissipatif, ...) qui en font une famille de matériaux très utilisés dans l'industrie. Lors de leur fonctionnement, les pièces réelles subissent des sollicitations complexes. Comprendre les phénomènes induits par la fatigue multiaxiale constitue ainsi un enjeu important dans la phase de conception industrielle. Le matériau utilisé au cours de cette étude est un polychloroprène (CR), fourni par la société Hutchinson et présent dans les poulies découpleuses. Celui-ci possède une réponse dissipative en grandes déformations. Son comportement est modélisé à partir de lois de comportements viscohyperélastiques suivant deux approches : une méthode analytique impliquant un calcul simple en un point d'un cylindre et l'autre utilisant un calcul éléments finis implémenté dans ANSYS. Une campagne expérimentale en fatigue multiaxiale est alors réalisée, en traction-torsion afin de tester l'énergie dissipée comme critère de fatigue multiaxial. Celui-ci présente des résultats intéressants. Des diagramme de Haigh ont été établis afin de mettre en évidence le phénomène de cristallisation. Des analyses post-mortem ont été menés avec un microscope électronique à balayage et expose des spécificités morphologiques liées à la sollicitation vue par le matériau.

Ce travail est centré sur l'étude du décollement de couches minces adhérentes à base cimentaire sur un substrat en béton sous chargement mécanique. Comme matériaux de réparation, des mortiers renforcés par des fibres et/ou incorporant des granulats en caoutchouc sont utilisés. Dans ces conditions, l'étude de la durabilité des réparations implique nécessairement celle de la dégradation de la résistance sous chargement de fatigue. Dans ce contexte, des essais de fatigue par traction, contrôlés par l'ouverture de la fissure (CMOD) sont effectués sur des échantillons composites afin d'établir la loi de dégradation de la résistance du mortier renforcé par des fibres et / incorporant des granulats en caoutchouc. Les résultats montrent que, pour une ouverture de fissure maximale donnée, la résistance résiduelle diminue avec le nombre de cycles et ce quelle que soit la nature du composite. La dégradation maximale de la résistance résiduelle se produit dans le cas du mortier non fibré. Pour des grandes ouvertures de fissure, un renfort par des fibres permet de limiter cette dégradation sous un chargement de fatigue. Dans le cas du mortier incorporant des granulats en caoutchouc, la dégradation de la résistance résiduelle est limitée pour les petites ouvertures de fissure. Une association granulats caoutchouc-renforcement par des fibres permet de limiter les dégâts sur une large étendue d'ouvertures de fissure. Cette solution confère au composite un intérêt pour une application durable dans le cas des réparations minces adhérentes à base cimentaire. En tenant compte des principales pathologies rencontrées dans cette application tels que la fissuration de la couche de réparation suivie par le décollement de l'interface, différentes techniques de préparation de la surface du support ont été évaluées. Parmi celles-ci, un traitement de la surface par sablage, facile à mettre en œuvre dans les conditions réelles, a été utilisé. Pour évaluer la performance structurale, des poutres composites constituées d'un rechargement mince sur des substrats dont la surface a été préalablement traitée par sablage ont été soumises à des essais de flexion trois points (monotone et fatigue). Pour le suivi de l'évolution de la fissuration dans le rechargement et du décollement à l'interface, la technique de corrélation d'image 3D est employée. Il en résulte que l'incorporation des granulats caoutchouc dans le matériau de réparation est efficace pour contrôler la fissuration, et par conséquent pour retarder l'initiation du décollement. De plus, le renforcement du matériau de réparation par des fibres est également efficace pour limiter la propagation du décollement en contrôlant l'ouverture de la fissure. Ainsi, l'utilisation simultanée des granulats caoutchouc et des fibres dans le matériau de réparation par couches minces à base cimentaire peut être une solution appropriée pour retarder l'initiation du décollement et également pour limiter sa propagation, autrement dit pour la durabilité de l'application. Les granulats en caoutchouc utilisés étant obtenus par broyage de pneus usagés non réutilisables, cette approche apporte une valeur ajoutée en valorisant un sous produit industriel et en contribuant à la sauvegarde d'un environnement sain
This work is devoted to the study of the debonding of thin bonded cement-based overlays from the concrete substrate under mechanical loading. As repair materials, fiber-reinforced and rubbberized cement-based mortars are used. Under these conditions, assessment of durability of the repairs necessarily involves the study of the degradation of the bridging strength under fatigue loading. In this context, tensile fatigue tests controlled by crack mouth opening displacement (CMOD) are conducted on composite specimens in order to establish the degradation law of fiber-reinforced and/or rubberized mortar. The bridging strength decreases with the number of fatigue cycles for the same maximum crack width, whatever the nature of the composite. The maximum cyclic bridging strength degradation occurs in plain mortar. The cyclic bridging strength degradation for large pre-cracked widths is limited for mortar reinforced with metallic fibers. In case of rubberized mortar, cyclic bridging strength degradation is limited at less pre-cracked width values. A combine use of rubber aggregates and fibers in mortar appeared to be a suitable solution to limit the cyclic bridging strength degradation for a wide range of pre-cracked widths. It confers to the composite an interest for durable application such as cement-based thin bonded overlays. Taking into account the main cause of distress in thin bonded cement-based applications i.e. cracking and interface debonding, different surface preparation techniques were evaluated in this research. Among them, the sandblasting one is usually implemented in actual conditions. In order to investigate the structural performance, composite beams consisting of a thin repair layer on top of sandblasted substrates are subjected to three point bending tests (monotonic and fatigue). For monitoring the evolution of cracking in the repair layer and of debonding at interface, digital 3D image correlation technique is used. It emerges as a conclusion that the rubber aggregates incorporation in repair material is helpful to control micro-cracking, which results in the delay of the debonding initiation. Moreover, a fiber-reinforcement of repair material is also helpful to limit the interface debonding propagation by restraining opening of the crack. So, the dual-use of rubber aggregates and fibers in the repair material of thin bonded cement-based overlays can be a suitable solution to delay the debonding initiation and also to limit the interface debonding propagation. This shows that the synergetic effect provided by the combine use of rubber aggregates and fibers remains valid under fatigue loading also. The used rubber aggregates are obtained by grinding end-of-life tyres. In such conditions, the approach brings an added value, the recycling of this industrial by-product being also a contribution to the maintenance of a clean environment. Incidentally, this approach also helps towards the development of a circular economy

L’essai d’indentation instrumentée est une technique de caractérisation locale très largement développée qui a mis en lumière son potentiel considérable pour sonder le comportement des matériaux. Elle est néanmoins circonscrite aux métaux, aux céramiques voire aux polymères. De ce fait, elle est peu présente dans la littérature relatant de la mécanique des élastomères, notamment en raison de leur hétérogénéité locale et de leur viscoélasticité, qui sont responsables de biais expérimentaux non négligeables. Cette thèse a donc pour objectif premier de mettre en place un protocole expérimental robuste de manière à apporter des éléments de réponse pertinents à des problématiques industrielles concrètes. Pléthore de phénomènes locaux dans les élastomères sont de très bons candidats à l’emploi de cette technique. Ces travaux s’intéressent spécifiquement à l’influence de la micro-morphologie et de la cinématique de chargement-déchargement sur les essais d’indentation d’un élastomère synthétique. Le protocole ainsi ajusté s’est vu appliqué à des matériaux de l’industrie aéronautique et automobile pour capturer les effets locaux d’un vieillissement thermique, d’une fatigue mécanique, de différents taux de vulcanisation et des gradients interfaciaux d’un composite polymère-élastomère
Instrumented indentation testing (IIT) is a local method of caracterization which has highlighted a significant potential to probe materials’ behaviors. Nevertheless, for now, its use has been limited to metals, ceramics or more polymers. Thus IIT is rare in literature about mechanics of elastomers, mainly due to their local heterogeneity and viscoelasticity which are responsible for non-negligible experimental bias. The first aim of this thesis is to set up a robust protocol so as to bring relevant responses to practical industrial issues. Plethora of local phenomena in elastomers are serious candidates for the application of this technique. These works deal specifically with the influence of the micro-morphology and the loading-unloading kinematics when indenting a synthetic elastomer. The established protocol has then been used on industrial materials, for aeronautic and automotive uses, so as to probe the effects of a thermal ageing, a mechanical fatigue, different vulcanization rates and interfacial gradients of a polymer-elastomer composite

Pour une structure réparée par la technique de rechargement mince adhérent à base cimentaire, le décollement de l'interface support-rechargement est la principale cause limitant la durabilité de l'application. Pour améliorer cette durabilité, il est nécessaire de contrer la cause qui est à l'origine de ce décollement : la fissuration de la couche de réparation. Dans ce but, l'utilisation d'un composite cimentaire possédant la capacité de supporter des déformations importantes avant localisation de la fissure est, potentiellement, une solution. L'objectif de cette thèse est de la valider. Pour répondre à l'objectif de l'étude, les matériaux étudiés sont des mortiers incorporant de granulats à faible rigidité et renforcés par des fibres. Les granulats utilisés sont en caoutchouc issu du broyage de pneus usagés, une contribution à la valorisation de ce sous-produit industriel. S'agissant du renforcement, des fibres métalliques adhérentes et inoxydable ont été retenues. Elles sont les plus efficaces pour contrôler la fissuration et peuvent être utilisées y compris dans les milieux les plus agressifs. Une bonne synergie entre les granulats caoutchouc et les fibres est bien démontrée : la capacité de déformation avant localisation de la macro-fissuration est nettement plus élevée et la capacité portante post-pic attendue du renfort par des fibres n'est pas remise en cause en présence de granulats caoutchouc. Ces matériaux sont ensuite utilisés comme matériaux de rechargement. Des essais de flexion trois points monotones ou de fatigue ont été effectués sur des éprouvettes composites support-rechargement. Ils ont permis d'étudier la réponse structurale de ces composites, en particulier le comportement de l'interface (force d'initiation et cinétique du décollement). En parallèle un travail de modélisation par éléments finis, basé sur un modèle déjà développé et validé sur des granulats minéraux au LMDC, est réalisé. Il s'agit de la simulation numérique du comportement mécanique des structures composites support-rechargement sous sollicitations monotones ou de fatigue. .
Substrate-overlay composites should work monolithically. For this reason, the durability of a cement-based repair relies also on the durability of its bond with the substrate. To improve the durability of repair, it is necessary to prevent the original cause of debonding: cracks through the depth of the overlay. For this the use of a cement composite having an improved strain capacity should be considered as a suitable solution. The aim of this work is to validate this hypothesis. As repair materials, cement-based mortars incorporating low aggregate stiffness and with fibre reinforcement were used. Rubber aggregates obtained from grinding end of life tyres were used thus contributing to the recovery of an industrial byproduct. Stainless and high bond steel fibres were also used. They are effective to restrain the cracking and can be used in aggressive environment. A good synergy between rubber aggregates and fibres reinforcement is demonstrated: rubber aggregates improve the strain capacity of the composite before the macro-cracking localisation and residual post-peak strength due to the fibre reinforcement is not affected. Monotoneous and fatigue bending tests were carried out on specimens repaired by using these mortars. These tests allow the structural response, in particular the interface debonding, to be analysed (the load corresponding to the debonding initiation and debonding propagation). In parallel, a numerical modelling based on finite element method was conducted to simulate the mechanical response of the tested specimens. Comparison between experimental and numerical results shows the relevance of the numerical modeling which is suitable tool that highlights the effect of the restrained length change of the repair material at the interface on the debonding mechanisms. As ultimate findings, this study shows that a positive synergetic effect from rubber aggregate and fibre reinforcement contributes to enhance the durability of bonded cement-based overlays