Institut Charles Sadron Event

La caractérisation des propriétés mécaniques des surfaces en fonction du temps est un enjeu scientifique majeur, et les techniques micro-mécaniques sont les seules capables de caractériser le comportement mécanique d'interfaces confinées, de couches minces ou de surfaces fonctionnalisées. Depuis plus de vingt ans, les rhéologies élastoplastiques sont à la base des modèles analytiques. Si ces modèles sont adaptés à l'étude des réponses instantanées, ils montrent leurs limites dans l'étude des réponses de fluage ou de relaxation en fonction du temps. L'autre limite pour l'étude des surfaces polymères est liée à l'hétérogénéité des champs de contrainte et de déformation, et aux rhéologies complexes aux petites et grandes déformations. Afin d'analyser le comportement viscoélastique et viscoplastique des polymères et de la matière molle, il est donc nécessaire d'améliorer l'instrumentation et de reprendre à la base l'analyse du comportement mécanique d'un objet en contact avec une surface. Ce travail propose une approche de caractérisation et de modélisation du PMMA, choisi comme matériau modèle car il présente un comportement visqueux à l'ambiant, et qu'il est très étudié, notamment par l'équipe MIM. L'approche présentée ici combine des essais de mécaniques dépendants du temps multi-échelles et des simulations par éléments finis. Un modèle constitutif couplant viscoélasticité non-linéaire et viscoplasticité enrichie a été développé et implémenté via des sousroutines utilisateur. La contribution majeure réside dans l'enrichissement de la loi d'écoulement viscoplastique : des non-linéarités multiples dans la dépendance à la contrainte et au paramètre d'Odqvist permettent de capturer le comportement observé expérimentalement, impossible à reproduire avec les formulations classiques de type Norton. La validation en compression uniaxiale démontre une concordance qualitative et quantitative satisfaisante sur une large gamme de niveaux de déformations (1 % à 20 %) et de vitesses de sollicitation (10-4 s-1 à 3 · 10-1 s-1). Au-delà de ces configurations homogènes, des essais uniaxiaux hétérogènes, et d'indentation instrumentée révèlent des mouvements complexes de matière dans le volume et sous la surface, caractérisés par corrélation d'images digitale (DIC). Les simulations en champ hétérogène reproduisent qualitativement ces phénomènes de déformation aux échelles volumique et locale. Ces résultats ouvrent la voie à l'analyse numérique du contact mécanique dépendant du temps pour les polymères vitreux, offrant des perspectives prometteuses pour la compréhension et la prédiction de la déformation des surfaces, de la recouvrance, de l'usure, du frottement et de la rayure. Le comportement en tribologie peut être observé avec un regard nouveau sous des conditions de sollicitation complexes et en prenant en compte l'évolution temporelle. Mots clés : Mécanique du contact, polymères vitreux, PMMA, relaxation, loi d'écrouissage, indentation, chargement, non linéaire, modélisation éléments finis , modèle numérique, principe de superposition temps-température.