Analyse de la zone d'endommagement et de la fissuration fragile sous chargement cyclique dans les tubes de gaz en polyéthylène

Damage zone analysis and brittle cracking under cyclic loading in polyethylene gas pipes

¹ LaMI – UBP & IFMA, Campus de Clermont-Ferrand, BP 265, 63175 Aubière Cedex, France
² LR3MI, Département de Mécanique, Faculté des Sciences de l'Ingénieur, Université Badji Mokhtar, BP 12, Annaba 23000, Algérie
³ LGC – UBP, Complexe Universitaire des Cézeaux, BP 206, 63174 Aubière Cedex, France

Auteur de correspondance : rabia.khelif@ifma.fr

Reçu : 15 Mars 2007
Accepté : 7 Juin 2007

Résumé

Les tubes en plastiques utilisés pour le transport d'eau et de gaz continuent à être le sujet de beaucoup d'études qui traitent divers aspects de comportement de matériaux. Des statistiques récentes indiquent que plus de 90 % de systèmes de distribution de gaz nouvellement installés dans le monde entier sont exclusivement construits en polyéthylène (PE) en raison de sa facilité d'installation et de coûts relativement bas. Les essais à charge constante montrent deux mécanismes généraux de propagation de fissure : une rupture ductile qui est dominée par des déformations homogènes à grande échelle dans le volume et une rupture fragile qui commence aux points de concentration des contraintes. Ce travail vise à étudier la transition fragile-ductile de fatigue dans les tubes de polyéthylène et la caractérisation de la zone d'endommagement associée. La méthode proposée est basée sur la mesure de deux paramètres de fatigue : la vitesse de propagation de la fissure, obtenue à différents niveaux de charge et le taux de travail irréversible qui est calculé à partir des boucles instantanées d'hystéréisis. Les corrélations obtenues, pour des charges maximales de fatigue entre 20 % et 35 % de la contrainte au seuil d'écoulement, donnent des taux de restitution d'énergies critiques moyens de 211 J.m^-2 et de 695 J.m^-2 respectivement pour des régimes fragile et ductile.

Abstract

Plastic pipes used for water and gas transmission continue to be the subject of many studies that treat various aspects of material's behaviour. Recent statistics indicate that more than 90 % of gas distribution systems lately installed in the whole world are made exclusively of polyethylene (PE) because of its ease of installation and relatively low costs. Constant load tests show two general mechanisms of crack propagation: a ductile rupture, which is dominated by homogeneous deformations on a large scale in the volume and a brittle fracture that starts at stress concentration points. This work aims at studying the brittle-to-ductile transition from fatigue in polyethylene tubes and the characterization of the associated damage zone. The suggested method is based on the measurements of two fatigue parameters: the crack growth rate, obtained at various load levels and the irreversible work spent on damage and crack growth, which is calculated using instantaneous hysterisis loops. The obtained correlations, for maximum fatigue loads between 20% and 35% of the yield stress, give average critical energy release rates of 211 J.m^-2 and 695 J.m^-2 respectively for brittle and ductile regimes.