Comportement à la rayure de surfaces de polymères : comparaison entre mesures expérimentales et simulations numériques

Experimental and finite-element analysis of scratches on amorphous polymeric surfaces

¹ Institut Charles Sadron, CNRS UPR 22, 23 rue du Loess, 67084 Strasbourg Cedex 2, France

Auteur de correspondance : pelletier@ics.u-strasbg.fr

Reçu : 22 Novembre 2007
Accepté : 22 Mai 2008

Résumé

Dans ce travail, nous présentons les premiers résultats de simulations numériques du test de rayure sur matériaux massifs. Nous avons supposé des lois de comportement de type G'Sell–Jonas, identifiées expérimentalement par indentation pour deux matériaux polymères PMMA et CR39. Nous avons modélisé la rayure générée par un indenteur sphérique de rayon R pour différents rapports a/R (avec a, le rayon de contact), pour un facteur de frottement adhésif local supposé constant µ_loc = 0,3. Pour un rapport a/R = 0,3, nous avons étudié l'influence du frottement adhésif local avec µ_loc compris entre 0 et 0,4. Les résultats obtenus par analyse numérique confirment en grande partie les observations expérimentales obtenues à l'aide de la machine de micro-rayage. Nous montrons un couplage fort entre déformation plastique sous l'indenteur, frottement, et morphologies du contact. Il est possible d'estimer en fonction des conditions de rayage, une déformation plastique moyenne représentative de la nature du contact. La déformation plastique moyenne apparaît comme une fonction complexe, dépendant du rapport a/R, du frottement local µ_loc et de la rhéologie du matériau, notamment son écrouissage. Enfin, en fonction des conditions de rayage (a/R, µ_loc) modélisées numériquement, il existe une relation unique entre la déformation plastique moyenne et des paramètres décrivant la géométrie du contact entre l'indenteur et la surface rayée, caractérisant le retour élastique à l'arrière de l'indenteur ou encore le bourrelet frontal.

Abstract

For a thermosetting resin (CR39) and a thermoplastic polymer (PMMA), numerical results of scratch test obtained with finite-element modelling are presented. Assuming linear behaviour and a plastic law with a large strain hardening capacity, scratch generated by a spherical indenter has been modelled for different ratios a/R (with a, the contact radius and R, the tip radius) and various friction coefficient µ_loc, varying between 0 and 0.4. Numerical analyses confirm mainly experimental results, obtained with a micro-scratch tester allowing in situ observation of the contact area during tests. Correlations have been found between plastic deformation beneath the indenter tip, friction coefficient and geometrical parameters used for describing the contact area. As a function of the scratch parameters (a/R, µ_loc), we have defined an average plastic deformation representative of the contact. The average plastic strain must be defined as a complex function of the mean geometrical strain a/R, the local friction coefficient µ_loc and also the rheology of the tested surface. Finally, for all simulated scratching conditions (a/R, µ_loc), the average plastic strain is directly related to geometrical parameters introduced to characterize the contact between the moving tip and the polymeric surface, such as the elastic recovery at the rear part of the contact or the accumulation of material in front of the indenter.