Ingénierie du caoutchouc – Caractéristiques contrainte-déformation

Introduction

Dans le cadre de cet article, nous utiliserons les termes caoutchouc et élastomère de manière interchangeable, bien que cela ne soit pas correct. Nous faisons généralement référence aux élastomères, dont le caoutchouc est un sous-ensemble. Techniquement parlant, la plupart des gens diraient que le seul caoutchouc est le caoutchouc naturel, tous les autres « caoutchoucs » devraient être appelés élastomères. Cependant, la plupart de nos clients utilisent ces termes de manière interchangeable.

Mon diplôme en génie mécanique et en science des matériaux était axé sur un ensemble standard de matériaux couramment utilisés, notamment les métaux (principalement l'acier), les composites, la céramique, les plastiques et un peu de béton (les ingénieurs civils ont beaucoup appris sur le béton).

Notre programme était chargé, je ne suis donc pas surpris qu'il n'y ait pas eu plus de matériel. Le caoutchouc est assez inhabituel dans sa façon de réagir mécaniquement, il y avait donc plus à apprendre et son utilisation était moins courante, donc je comprends pourquoi il a été laissé de côté, mais c'est un matériau vraiment intéressant. Oui, il a les mêmes caractéristiques de transition vitreuse que de nombreux autres matériaux à basse température, et oui, il a une limite supérieure de température de fonctionnement utile, mais la façon dont il se déforme entre ces deux températures est différente.

Certaines informations de base sont utiles si vous envisagez de concevoir des produits à base d'élastomères. C'est pourquoi cet article se concentre sur le module. Presque aucun de nos clients n'apprécie la complexité des composés élastomères, ce qui est normal car nous travaillons ensemble pour combler les lacunes importantes.

Cet article est destiné à aider à former les ingénieurs concepteurs de produits. AVMR ne sait pas tout sur les élastomères, mais nous travaillons avec eux depuis environ 40 ans et disposons d'une bonne base de connaissances et d'un réseau d'experts. Si vous avez besoin d'aide, n'hésitez pas à nous écrire.

Caractéristiques de contrainte-déformation de l'acier

L'acier est un matériau que la plupart des ingénieurs comprennent assez bien. Comme de nombreux autres métaux et matériaux, il s'étire de manière linéaire jusqu'à ce que les modes de rupture soient initiés au point d'élasticité. Vous connaissez peut-être le type de courbe contrainte-déformation ci-dessous :

Limite d'élasticité : en traction ou en compression, c'est le point (limite d'élasticité) auquel un matériau résiste à une charge et revient à sa forme initiale. En dessous de ce point, une déformation élastique se produit. Une contrainte exercée sur un matériau au-dessus de cette limite d'élasticité provoque une déformation plastique ou permanente.

0,2 % de décalage Limite d'élasticité : Il s'agit de la définition habituelle de la limite d'élasticité.

Un point clé à noter dans le graphique ci-dessus est que l’acier réagit aux contraintes de manière linéaire jusqu’à sa limite d’élasticité.

Caractéristiques de contrainte-déformation du caoutchouc

En comparaison avec ce qui précède, dans le même test, le caoutchouc ne réagit pas de manière linéaire. Ce qui suit est conçu pour expliquer comment le caoutchouc s'étire à un niveau très générique ; il existe une marge importante pour que cette courbe change de forme.

Dans la courbe contrainte-déformation typique ci-dessus pour le caoutchouc, le matériau a un module plus élevé initialement et à des déformations plus élevées, tandis que le module est plus faible pendant la partie médiane de l'extension.

L'effort requis pour gonfler un ballon en caoutchouc classique correspond à cette courbe. Au début, il faut plus d'effort pour forcer l'air à entrer dans le ballon, mais une fois que le ballon a commencé à se gonfler, l'effort requis pour continuer à se gonfler diminue. Une fois que le corps du ballon est presque entièrement gonflé, l'effort requis augmente à nouveau et, à un moment donné, le ballon éclate.

La structure initiale du matériau du ballon est amorphe ; les brins de polymère sont dans un état de relaxation à faible énergie et sont peu ou pas alignés les uns avec les autres. Surmonter cet état initial de faible énergie demande plus d'efforts, mais lorsque les brins de polymère commencent à céder à la force appliquée, ils s'étirent et l'air peut entrer. À partir de là, il y a moins de brins amorphes en place pour continuer la résistance, de sorte que le module diminue et le gonflage devient plus facile. Il y a également un peu de chaleur produite qui est transférée aux brins environnants, ce qui offre également de l'énergie thermique et aide à surmonter leur état de faible énergie.

Pendant que les brins de polymère s'alignent, si la charge sur le caoutchouc est relâchée, le matériau reprend généralement sa forme d'origine. On peut le constater avec un élastique de base qui revient à sa taille d'origine. Un ballon est légèrement différent dans le sens où la zone gonflée a normalement rapidement atteint la déformation plastique et a peu de chances de se rétablir complètement, ce qui facilite le deuxième gonflage.

Une fois qu'une certaine tension est atteinte, la plupart des brins sont alignés. Une extension supplémentaire devient à nouveau plus difficile à mesure que le module augmente. Cela est dû à un mécanisme différent, qui est lié à la force de liaison entre chaque brin de polymère.

Pourquoi est-ce que je vous donne ces informations ? Si vous, l'ingénieur concepteur de produits, êtes familier avec la spécification de l'acier ou d'autres matériaux traditionnels avec des modules très linéaires, il serait tentant de prendre une valeur de module unique pour un élastomère, mais cela pourrait ne pas vous donner le résultat que vous attendez.

Spécification du module d'un composé de caoutchouc

Deux composés de caoutchouc peuvent avoir des modules différents tout au long de leurs courbes contrainte-déformation, mais ces modules changent également avec l'extension, comme nous l'avons vu ci-dessus.

Si nous ajoutons un deuxième composé de caoutchouc (élastomère B) à notre courbe contrainte-déformation, cela pourrait ressembler à ceci :

Dans le graphique ci-dessus, nous pouvons voir que l'élastomère A commence avec un module considérablement inférieur à celui de B, mais ensuite, à 300 % de déformation, l'élastomère A a un module plus élevé que celui de B. Ces deux types de composés de caoutchouc peuvent être du même type avec la même spécification de haut niveau (par exemple EPDM, 60° ShA), mais il existe une large gamme d'ingrédients potentiels dans le composé qui ont un impact sur ses performances.

Dans un monde idéal, on s’attendrait donc à ce que le module d’un composé de caoutchouc ou d’élastomère soit donné sur une plage d’extensions.

Clôture

Très peu de nos clients précisent les modules pour les composés de caoutchouc. Certains peuvent être intéressés par la connaissance d'une valeur de module, mais cela est rarement une exigence. Si un matériau était correctement spécifié, nous nous attendrions à voir une gamme de modules pour le matériau, à différentes déformations, par exemple à 20 %, 100 % et 300 % d'allongement.

En réalité, les élastomères étant des matériaux complexes, il existe des normes, mais elles sont larges et ne se concentrent que sur un nombre limité de propriétés. Les clients viennent généralement nous voir avec un design et nous demandent conseil sur l'élastomère à utiliser, nous travaillons ensuite avec notre réseau pour construire la première version qui nécessite parfois des itérations.

Un produit récent avait une spécification de déformation de 300 % sur l'élastomère, mais lors des tests du produit, nous avons constaté que le matériau ne s'effondrait pas en compression comme le client l'attendait. En conséquence, le matériau devait supporter jusqu'à 500 % de déformation en extension et se rompait. Avec quelques ajustements simples de conception du produit, nous avons pu faire en sorte que le produit avec le même matériau passe les tests requis en aidant le côté comprimé du produit à s'effondrer plus efficacement, ce qui a réduit la déformation en traction dans les limites.

Un excellent résultat pour tous, rendu possible par des relations solides avec notre fournisseur et une relation basée sur la confiance.