ABRE.GES

CONDENSED PAPERS

l~tude de la r6sistance m6canique de plaques d'acier coll6es en fonction de la rugosit6 des subjecti les et de 1'6paisseur de I 'adh6sif

Y. GILIBERT (1), j. BIELLE (2), j. BERNASCONI (3), C. COLLOT (r

Des essais de cisaillement par traction, effectu6s r6cemment ([1], [2], [ 3 ] ) s u r des plaques d'acier coll6es par l'interm6diaire d'une r6sine 6poxydique, ont montr6 que l'adh6sion est optimale lorsque les subjectiles sont sabI6s et que la r6sistance m6canique de rassemblage d6pend de r6paisseur du film de colle.

1. CONDITIONS D'I~LABORATION DU MO- Dl~LE EXPI~RIMENTAL

Le mod6Ie exp6rimental tr6s simple, reproduit A la figure 1, s'accroche par ses extr6mit6s filet6es sur la machine de traction par rinterm6diaire de deux rotules qui assurent rapplication de reffort de trac- tion suivant l'axe de sym6trie Oz de la pi6ce.

L'hme d'ancrage, coll6e sur le prolongement des t61es, est renforc6e par deux 6triers de compression durant l'essai m6canique; ainsi la rupture se produit toujours dans la partie utile, de longueur l constante et 6gale fi 88 mm pour toutes les 6prouvettes.

Les ~tmes et les t61es, en acier de nuance XC 18, pr6sentent des 6pai~seurs constantes ayant pour valeurs respectives eA=10 mm et e~-=4,5 ram.

Le joint est constitu6 par une r6sine de marque I~ponal 317.

Les conditions g6n6rales d'61aboration qui assurent la reproductibilit6 des 6prouvettes sont d6crites dans nos pr6c6dents travaux ([1] fi [5]). En particulier, les subjectiles de toutes les pi6ces ont subi une recti-

(1) Ing6nieur C.N.A.M., Maitre-Assistant ~ I'I.U.T. de Reims, d6partement G6nie Civil.

(z) Professeur fi rI2cole Nationale Sup6rieure d'Arts et M6tiers, Centre R6gional de Ch~'tlons-sur-Marne.

(3) Assistant A I'I.U.T. de Reims, d6partement Informatique. (') Professeur sans chaire, Laboratoire << Science des Mat6-

riaux >>, U.E,R., Sciences de Reims.

'F

- - - - F i l e l o g e M 12 x 150

Z 'Z

A

, ' [ N1 - - ~

i

i

O l eT

e j .

.,to;ses ca l ;b rees

. . . . T0le T

. . . . EtPieP de mQini'ien

- - A m e d a n c r o g e

o[ . . . ~ , I I IIJ~--.---Etrie~ de main|ien

~__~ I,

. . . . . Fi letoge M 12 x150

IF

Fig. 1. - - Sch6ma de l'6prouvette de traction.

419

V O L . 9 - N ~ 54 - M A T l e R I A U X ET C O N S T R U C T I O N S

FORCE5 ! uni t6 = 100 doN

absclsse de I 'oxe =0,0000

( Z':-a77m ) 2900

2500

1 2200

.tq_q_ o_ k

I X 1500 " jouge -\

1100

(z ' : -18.Sr . ) (.z': o ) . .

"'~. j a u g e I 3 jauge I5 ....

"'~" .~G 5 _ _ , . . . . . . . . . . . %,_ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ; ..

"q, ,+" . . ,4"

4 G r " "'~'" . " . / . / ~ " j o u g e I 7

:~' ;+/ /

/ / , , / j " 7 / / / j" . /

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .,,7/--->-.6 5 ,,.," / , ~ /.,r /,,F /

& .IL/ ,+" ;I- .4"

#" ;,/" .+-/ +" . / . ~ , ' "

4/" /~F" 4 " /

i,'" ~r" # /

. . / . . ' . . -"

EPR 201

( Z ' : 185 mm } t f . , I -7

. ,~ r

I , i I I , ~ l DE FORMATI ONS

I unlt& : 100.00 micron m ordonnee de l hxe =0.0000

Fig. 2. - - Mise en 4vidence de la microfissuration et de la propagation rapide des criques dans le joint de resine.

fication fine (meule Norton 38 A100 H VG) ou gros- siere (meule Norton 38 A46 H VBE) et un traitement de sablage effectu6 avec des particules de corindon ([1] ~t [4]).

Les essais de traction sont effectues "a la temperature de 20~ apres un temps de durcissement 6gal ~t 4 jours, avec une vitesse de raise en charge de 100 daN. ran- t.

2. I~TUDE DES DI~FORMATIONS ENREGIS- TRl~ES A LA SURFACE DES TOLES

Les microdeformations sont enregistrees grhce ~t des jauges electriques d'extensometrie placees avec une tres grande precision sur l'axe O' z' de la surface externe des teles (fly. 1), en des points d'abscisses

z'=O, z '= + 18,5 mm, _. = +37 mm, z'=56,5 mm

+.0,05 [5]).

La mesure directe des deformations et la determi- nation des contraintes dans le joint d'adhesif est extremement delicate. Si l'on place des jauges d'exten- sometrie ~ l'interface acier-colle, l'adh6sion est per- turbee et l'assemblage est partiellement detruit. Notre methode ([1], [2], [3])indirecte, si elle ne permet pas d'evaluer les contraintes rdelles engendrees au niveau du joint, presente toutefois ravantage suivant : en comparant les microdeformations enregistrees ~ la surface des teles, nous pouvons caracteriser un modele experimental, c'est-fi-dire 6tudier rinfluence systema- tique de divers parametres sur la resistance mecanique du materiau coil& Par la suite, grgtce h un photo-

420

61asticimetre ~. laser nous devrions pouvoir en deduire les valeurs des contraintes au voisinage de rinter- face tele-adhesif, donc estimer plus precisement les contraintes critiques de cisaillement du joint.

Pour t o u s l e s 6tats sables, la ruine des eprou- vettes (fig. 1, l=88mm, e r=4 ,5mm, I t=10mm, I a = 10 ram) se produit essentiellement par cisaillement du film de resine ([2], [3]).

3 0 0 0

2500

2000

1500

I000

Fn en doN - - RF5

.... RG5

FrD

4 d en ~

Fig. 3. - - Courbes F = f ( d ) representant les variations des seuils caracteristiques FD, Fc, et F R en fonction des types de recti- fication (R.G. et R.F.) et de la granulometrie (d) du sable.

Y. G I L I B E R T - J . B I E L L E - J . B E R N A S C O N I - C. C O L L O T

Criteres de

r u g o s i t e en IJ + /

ii I

1II

RF$ ~ r n o ............. R G 5 /;/ / X

,// ,, ill / ////

10 - / / ~ rn0K/ / /

,,, /

/ / / /

d e n p

o ~o~ ~5 ,;9 2'00 2~2 ,h Fig. 4. -- Courbes repr4sentant la variation des r qui

caract6risent la rugosit6 des subjectiles sabl6s en fonction du type de rectification R.F. ou R.G. initiale.

Les courbes de la figure 2 repr6sentent les forces de traction F, en fonction des d6formations rela- tives ([3], [6]). Elles montrent en particulier :

- - un changement appr6ciable de la pente dF n/de it partir d'un certain seuil (F D = 1000 daN), ce qui correspond vraisemblablement it la naissance de microfissures dans la r6gion la plus sollicit6e mScaniquement (z '= - 18,5 ram);

- q u e de telles microfissures apparaissent plus tardivement darts les r6gions voisines (D s et Dr) [3];

- un brusque changement de signe de la pente dF n/de pour un effort plus important traduisant le d6but de la propagation des criques dans l'adh6sif (G3, Z ' = - 18,5 mm, FG=2 200 daN).

Fn en daN

3000

2500

'2000

1500

'~000

5~ %

=D

Hr i i Re. II H 0 082 2,27 3,5 8,06 11s51 1.8~68 �9

Fig. 5. - - Courbes F s = f ( R ) repr6sentant les variations des seuils earact6ristiques FD, Fo et FR en fonction de la profon- deur moyenne R de la rugosit6 des diff6rents 6tats sabl6s R.F.S.

L'analyse de ces courbes nous amhne A isoler notam- ment les effets de la rugosit6 des subjectiles m6talliques et de l'6paisseur du joint dans le cas des 6prouvettes consid4r6es.

3. R O L E DE LA RUGOSITI~ DES INTERFACES METALLIQUES

Pour r6aliser les diff6rents sablages sur les supports initiaux rectifi6s finement (R.F.) et grossi6- rement (R.G.)([2], [3]), nous avons utilis6 des particules de corindon de granulom6trie 423, 282, 169 et 115 mi- crons. Le temps de sablage des diff6rents subjectiles est de 30 secondes.

Les 6tats de surface E s sont caract6ris6s par les crit6res de profils mesur~s et d6finis par la norme franqaise E 05 105; ils sont d6termin6s par la m6thode RNUR-ENSAM [4].

L'hpaisseur du joint de rhsine est constante et 6gale /t e j=0,5 mm.

L'obtention de r6sultats significatifs n6cessite l'uti- lisation de quatre 6prouvettes identiques dont une ou deux portent des jauges 61ectriques d'extensom6trie.

La figure 2 indique les valeurs des efforts critiques F~, Fc, et FR (force de rupture) clans le cas o6 les particules de sable poss6dent une dimension moyenne de 423 gm.

C'est lorsque la taille des grains est de 169 lam que les microfissures apparaissent et se d6veloppent le plus tardivement (jig. 3). Par exemple, elles s'initient dans le joint d6s que l'effort atteint 1 400 daN et la rupture se produit pour 3 100 daN. Les autres granu- lom6tries conf6rent au mat6riau une r&istance au cisaillement plus faible. En outre, l'effort n6cessaire /t la propagation des fissures dans l'adh6sif est maximal lorsque le support sabl6 est auparavant rectifi6 fine- ment. Dans ce cas, les crit6res de rugosit6 �9 profondeur totale R,, profondeur maximale R . . . . profondeur moyenne R et profondeur d'aplanissement Rp, 6cart arithm6tique moyen R,, par rapport it la ligne moyenne [4], croissent avec le diam6tre moyen des particules de sable; ils sont li6s /l d par des formules du type (fig. 4):

ad 2 Ar - bd + c R = a' d 2 + b' d + c'. (6tat R.G.)

et

d = a l R 3 + b i R 2 + c l R + d t (6tat R.F.)

pour d compris entre 0 et 500 i, tm.

Notons que l'6tat R.G. n'est sensiblement modifi6 qu'avec des grains dont le diam6tre moyen est sup6- rieur /~ 200 grn.

La figure 5 montre que les efforts caract6ristiques Fo, F G et F~r sont li6s lin6airement A la profondeur moyenne de la rugosit6, celle-ci d6pendant directement de la granulom6trie du sable.

Les valeurs maximales sont obtenues lorsque R=3,47 gm, r6sultat qui provient d'un traitement effectu6 avec des particules de 169 gm.

421

V O L . 9 - N ~ 5 4 - M A T E R I A U X E T C O N S T R U C T I O N S

Quand la profondeur moyenne R est superieure /t 3,47 Ix, les seuils caracteristiques Ft), Fc; et FR se deduisent du diametre moyen du sable par des formules lineaires de la forme

Fo=167R+820 ,

F~ = 167R+2 020,

FR= 125 R + 2 720.

Lorsque Res t infarieure/t 3,47 p,m, l'extrapolation des segments de droite correspondants conduit pour R =0,82 lain (profondeur moyenne de la rugosit6 du support rectifi6 finement) aux valeurs exparimentales des efforts caracteristiques d'une surface non sablee.

De meme, lorsque la profondeur moyenne est 6gale /~ 18,68 p,m, nous pouvons determiner graphiquement les seuils d'initiation des microfissures et de debut de propagation des criques qui representent les efforts critiques obtenus ~t partir d'une surface grenaillae. Ces resultats, non 6vidents a priori, montrent que la profondeur moyenne de la rugosit6 est un parametre important de l'adhasivite.

4. INFLUENCE DE L'i~PAISSEUR DU JOINT D'ADHI~SIF SUR LA Ri~SISTANCE MECANIQUE

Nous avons essay6 de mettre en evidence l'influence de l'6paisseur du joint sur l'adhesivit6 du materiau composite en considerant 8 valeurs de es comprises entre 0,05 et 1,5 ram.

La comparaison des deformations ponctuelles et relatives ([3], [6]) enregistrees "a la surface des teles, montre qu'~ tous les niveaux de force appliques :

- - la partie positive de l'eprouvette se dilate globa- lement d'autant plus que le joint est plus 6pais;

- - au voisinage de la region la plus sollicitee meca- niquement ( z ' = - 18,5 ram) et jusqu'au moment ol) les fissures commencent ~ se propager, les microdeformations se classent ainsl suivant l'6paisseur du joint :

/~0,05 ~ /~0,18 ~" F'0,3 ~ /~0,5 ~> ~0,8 ~ /~1 "~/~1,25 ~ ~ 1,5"

La figure 6 montre que les seuils caracteristiques Fo, F~ et F R (effort de rupture) sont lies lineairement l'epaisseur ej de joint de resine, lorsque celle-ci varie de 0,5 fi 1,5 ram. Les valeurs maximales Fz)= 1 400 daN, F~= 2 500 daN et F R = 3 000 daN sont obtenues pour e j=0,5 ram.

Les efforts critiques FD, F~ et F R peuvent done se deduire de ej par des formules de la forme :

F o = l 190 eg+800 (ej exprim6 en millimetres),

F~= 940es+2030,

lorsque ej est inferieur h 0,5 ram,

F o = -400 es+ 1 600,

F~ = -400 es+ 2 700,

FR---- --475 es+3 360,

lorsque ej est superieur ;l 0,5 ram.

Ainsi, dans le cas des 6prouvettes qui possedent des subjectiles metalliques rectifies grossierement, la

422

3000

2 5 0 0 "

2 0 0 0 "

1 5 0 0 "

1000

6 0 0

Fn en doN

I 7oo i i ej ,~mm i 1L ~ J i,

OD5 0,18 0,3 0.5 0,8 1,25 1,50

Fig. 6. - - Influence de l 'epaisseur du joint d 'adhes i f sur Is resis- tance mecanique en traction.

resistance au cisaillement maximale est obtenue pour un joint de resine d'epaisseur 6gale ~ 0,5 ram.

Notre etude montre aussi que pour ej compris entre 0,5 et 1,5 ram, les efforts caracteristiques sont d'autant plus faibles que l'epaisseur est plus importante.

Le joint n'est plus cisaill6 lorsqu'elle atteint 1,25 ram, il se produit alors des ruptures plus complexes qui resultent de decollements plus ou moins partiels ~t l'interface gtme-colle, d'o~ une plus grande fragilit6 du materiau.

Les rdsultats obtenus avec nos eprouvettes qui presentent un rapport longueur de recouvrement/epais- seur des t61es voisin de 20, ne sont pas tout h fait ana- logues A ceux de Volkersen [7]. Cet auteur a montr6 en effet, /t partir de son moddle thdorique, qu'il peut 6tre avantageux de travailler avec des couches de colle aussi 6paisses que possible. Or, nous avons verifi6 expdrimentalement que la resistance au cisaille- ment est maximale lorsque l'~paisseur du joint d'adhesif est de 0,5 ram.

Le fait qu'elle chute pour des valeurs superieures 0,5 mm pourrait s'expliquer par l'existence d'une

fraction volumique de colle plus grande dans l'6prou- vette composite, produisant doric une fragilite plus importante.

CONCLUSION

L'adhdsion de t61es d'acier collies par l'intermediaire d'une resine 6poxydique depend en particulier de la rugosit6 des subjectiles metalliques et de l'6paisseur du film de colle.

Y. G I L I B E R T - J. B I E L L E - J. B E R N A S C O N I - C. C O L L O T

I1 ressort de cette 6tude que le sablage effectual dans des condit ions bien prdcises constitue un trai tement de surface intdressant, pouvant conf6rer au mat6riau une bonne adhesivit6 : elle apparal t optimale lorsque la taille moyenne des grains de sable est de 169 gin. Dans le cas de notre modele, la r6sistance au cisaillement est maximale avec des joints adhdsifs d'6paisseur 0,5 ram.

R I ~ F I ~ R E N C E S

[1] GILIBERT Y., DELMAS J. P., COLLOT C. - - Contribution l'dtude des bOtons plaqu&. Bulletin de la RILEM

(Materiaux et Constructions), n o 41, 1974.

[2] GILIBERT Y., COLLOT C. - - Contribution d l'dtude de l'adhOsivitO colle-acier en fonction des &ats micro- gOom&riques des surfaces rectifi&s et rect(fiOes sable;es.

Bulletin de la RILEM (Matdriaux et Constructions), n" 48, 1975.

[3] GILIBERT Y., BERNASCONI J., COLLOT C. - - Mesure des d~/brmations et des contraintes engendr&s lors d'un essai de cisaillement en traction, d la surface de plaques d'acier colldes. Materiaux et Constructions juillet-aofit 1976, n ~ 52, p. 255-265.

[4] R.N.U.R.-E.N.S.A.M. - - Methode de calcul mise au point par BERGER C.., Regie Nationale des Usines Renault, 10, avenue Emile-Zola, 92109 Boulogne-Bil- lancourt, l~cole Nationale Superieure d'Arts et Metiers, Centre Regional de Ch'alons-sur-Marne, 51000.

[5] GILIBERT Y. , MILLER H., GAUTRON G. - - Adaptation d'une perceuse-JMiseuse fi commande numdrique pour la ddtermination precise de l'emplacement d'extensom&res Olectriques f ix& sur les t6les d'@rouvettes en bOton (ou en acier) plaqud. Annales de l'Universite et de I'A.R.E.R.S:, 1976, tome 14.

423