PropriÃ©tÃ©s Ã court terme - Solvay Plastics

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Fatigue Fatigue Lorsqu’un matériau est soumis à une contrainte cyclique, la rupture survient à des niveaux de contrainte inférieurs à la résistance maximale à court terme du matériau. Un engrenage constitue un bon exemple d’une application pour laquelle la contrainte est cyclique. Au fur et à mesure que l’engrenage menant tourne en entraînant le pignon mené, chaque dent est tour à tour soumise à une contrainte, suivie d’un intervalle de temps pendant lequel cette contrainte est nulle ou presque, jusqu’à ce que la dent soit de nouveau en prise. Beaucoup d’applications impliquent un élément de fatigue pour lequel l’aspect cyclique n’est pas toujours aussi évident. On peut également citer l’exemple des bagues guidant un arbre tournant, des pièces soumises à vibration, ou encore n’importe quelle pièce rotative de pompe ou de compresseur. Les métallurgistes, qui connaissent bien ce phénomène ont défini le terme de « limite d’endurance » pour désigner la contrainte cyclique maximale à laquelle on peut soumettre un matériau tout en lui conservant une durée de vie illimitée. En général, ce niveau de contrainte correspond à la contrainte maximale sans défaillance après 10 millions (10 7 ) de cycles de charge. Même si le terme « limite d’endurance » est quelquefois utilisé lors de discussions liées à la conception de pièces comportant des matériaux plastiques, la réaction des plastiques aux contraintes cycliques est plus complexe que celle des métaux, et la limite d’endurance ne peut être aussi strictement définie. Pour mesurer et/ou comparer la contrainte plastique de matériaux, il est impératif de spécifier le mode (traction, compression ou flexion), la fréquence et le profil de la contrainte. Les données d’endurance à la fatigue ont été générées en utilisant la méthode d’essai ASTM D671. Cette méthode prévoit une configuration en poutre en porte-à-faux et une force d’amplitude constante. Plus précisément, l’échantillon était de type « A », la fréquence 30 Hz, et le modèle de machine utilisé un appareil d’essais universel Sontag modèle SF-01-U. Les courbes d’endurance à la fatigue en flexion pour les grades purs et renforcés verre du RADEL A sont illustrées à la figure 34. Bien que ces essais n'aient été effectués que sur des résines RADEL de série A-200A, on suppose que les résines de série A-300A donneraient des résultats semblables. Propriétés thermiques Les réactions du matériau aux variations de la température ambiante constituent ses propriétés thermiques. Il s’agit des variations de résistance et de rigidité ; des changements de dimensions ; des variations chimiques dues à la dégradation thermique ou à l’oxydation ; du ramollissement, de la fusion ou de la distorsion ; du changement de morphologie ; de simples variations de température. Les propriétés des matériaux fondus sont étudiées dans le chapitre traitant de la mise en œuvre. Le comportement de ces matériaux en cas de combustion est étudié au chapitre traitant du comportement au feu. Température de transition vitreuse En général, lorsqu’il est chauffé, un polymère devient progressivement moins rigide, jusqu’à atteindre un état caoutchouteux. La température à laquelle le matériau passe de l’état vitreux à l’état caoutchouteux est définie comme sa température de transition vitreuse (Tg). Cette température est importante car plusieurs modifications fondamentales ont lieu en ce point. Ces changements portent, entre autres, sur le volume libre du polymère, l’indice de réfraction, l’enthalpie et la chaleur spécifique. Le tableau qui suit liste les températures de transition vitreuse du polysulfone UDEL, du polyéthersulfone RADEL A et du polyphénylsulfone RADEL R. Les températures de transition vitreuse des résines RADEL sont supérieures de 35 °C à celles du polysulfone UDEL. Cette différence se traduit par une capacité thermique plus étendue. Tableau 15 Température de transition vitreuse Température de transition vitreuse* Résine °F °C UDEL 365 185 RADEL A 428 220 RADEL R 428 220 * La température de transition vitreuse est définie comme le moment où la capacité thermique change, selon la méthode de l’analyse calorimétrique différentielle. La valeur mesurée est généralement arrondie aux 5 °C. Figure 34 Endurance à la fatigue en flexion du RADEL A Contrainte, kpsi à Nombre de cycles Contrainte, MPa Modifications des propriétés mécaniques Quand la température ambiante augmente, les thermoplastiques deviennent de plus en plus mous, jusqu’à devenir fluides. Jusqu’à ce point, on peut suivre le ramollissement en établissant le graphique du module d’élasticité et de la température. Classification des résines thermoplastiques On divise souvent les résines thermoplastiques en deux classes : amorphes et semi-cristallines. La figure 35 montre de façon schématique les différentes réactions de ces deux types de résines aux variations de température. En général, le module des résines amorphes diminue lentement lorsque la température augmente, jusqu’à la température de transition vitreuse (Tg). Les résines amorphes ne sont généralement pas utilisées à des températures supérieures à leur température de transition vitreuse. Le module des résines semi-cristallines copie le comportement des résines amorphes jusqu’à la température de transition vitreuse. À Tg, le module décroît rapidement jusqu’à un Solvay Advanced Polymers, L.L.C. – 18 –
Propriétés thermiques certain niveau, puis s’y maintient plus ou moins jusqu’au point de fusion (Tm). Les résines semi-cristallines sont souvent utilisées à des températures ambiantes comprises entre leurs températures de transition vitreuse et leurs points de fusion. Effets de la température sur le module Les résines polysulfone UDEL, polyéthersulfone RADEL A et polyphénylsulfone RADEL R sont toutes amorphes. On peut voir les effets de la température sur leurs modules de flexion à la figure 36. Modifications des propriétés mécaniques Figure 37 Module d’élasticité en flexion / température – Résines GF RADEL A Température , Module d’élasticité en flexion, kpsi Module d’élasticité en flexion GPa Figure 35 Variation du module avec la température Amorphe Température Figure 38 Contrainte en traction / température – Résines pures Température Module Semi-cristallin Contrainte en traction, kpsi Contrainte en traction MPa Figure 36 Température Module d’élasticité en flexion / température – Résines pures Température Figure 39 Contrainte en traction / température – Résines GF RADEL A Température, Température Module d’élasticité en flexion, kpsi Module d’élasticité en flexion GPa Contrainte en traction, kpsi Contrainte en traction, MPa Température Température – 19 – Guide de conception des résines RADEL
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