Aldo Cocchi

Compressive behaviour in fibre direction and influence of matrix degradation in laminate composites

Abstract : Determination of compressive properties of fibre reinforced plastics (FRP) has always been a hot topic. Nowadays FRP are incrementally used even in everyday applications and properties underestimation can lead to components oversizing nullifying the main advantage of FRP.
Normally used compression testing techniques (ex. Celanese fixture, ASTM D3410) are designed to avoid specimen buckling to reach material failure. This is accomplished by reducing sample’s length. The drawback of this solution is the formation of stress concentrations and sample premature failure. To avoid this problem multiple tests have been proposed starting from variations of ASTM D3410 fixture to anti-buckling fixtures (ASTM D695) and indirect compression tests such as pure, three-points and four-points-bending [1, 2, 3].
In presence of tensile loadings, the main task of the matrix is to redistribute stresses between the fibers. Past studies show that extensive matrix damage or thermal degradation leads to reduction of the composite tensile strength [4, 5, 6]. This effect is even more important in presence of compressive loadings as the load bearing component of the material are slender elements with a natural tendency to buckle and fail, consequentially the polymeric matrix has also to support the fibres and avoid localized buckling.
The first part of this talk will be dedicated to compressive properties characterization. A novel four-pointsbending procedure will be presented together with the use of a flat hourglass specimen to reduce stress concentrations.
The second part will focus on the effect of matrix damage and thermal degradation on compressive strength. This will be done through the results of compressive tests on damaged samples and high temperature four-pointsbending.

References
[1] O. Montagnier, C. Hochard, Compression Characterization of High-modulus Carbon Fibers, Journal of Composite Materials 39 (1) (2005) 35–49. doi:10.1177/0021998305046433. URL http://journals.sagepub.com/doi/10....
[2] M. Serna Moreno, A. Romero Gutiérrez, J. Martìnez Vicente, Different response under tension and compression of unidirectional carbon fibre laminates in a three-point bending test, Composite Structures 136 (2016) 706–711. doi:10.1016/j.compstruct.2015.06.017. URL https://linkinghub.elsevier.com/ret...
[3] O. Allix, P. Ladevèze, E. Vittecoq, Modelling and identification of the mechanical behaviour of composite laminates in compression, Composites Science and Technology 51 (1) (1994) 35–42. doi:10.1016/0266-3538(94)90154-6. URL https://linkinghub.elsevier.com/ret...
[4] Y. Thollon, Analyse du comportement à rupture de composites stratifiés constitués de plis tissés sous chargements statique et de fatigue, PHD Thesis, Aix-Marseille Université (Dec. 2009).
[5] A. Gibson, M. O. Torres, T. Browne, S. Feih, A. Mouritz, High temperature and fire behaviour of continuous glass fibre/polypropylene laminates, Composites Part A : Applied Science and Manufacturing 41 (9) (2010) 1219– 1231. doi:10.1016/j.compositesa.2010.05.004. URL https://linkinghub.elsevier.com/ret...
[6] C. Hochard, S. Miot, Y. Thollon, Fatigue of laminated composite structures with stress concentrations, Composites Part B : Engineering 65 (2014) 11–16. doi:10.1016/j.compositesb.2013.10.020. URL https://linkinghub.elsevier.com/ret...

Léo Thiercelin

Modélisation multiphysique du mécanisme d’apparition de la phase blanche dans le contact ferroviaire

Résumé : La formation de Transformations Tribologiques de Surface (TTS), connues sous le nom de phase blanche (White Etching Layer : WEL) dans le contact roue-rail, correspond à des transformations progressives et irréversibles à la surface des rails par suite de l’accumulation du passage des trains. La présence de phase blanche endommage les rails et des fissures peuvent se développer et conduire à la rupture des rails. La compréhension des mécanismes de formation de WEL est alors nécessaire pour prévenir le problème de fatigue de contact de roulement (Rolling Contact Fatigue : RCF) et réduire les coûts de maintenance du réseau ferroviaire (300 M€ par an). C’est dans ce contexte qu’un consortium entre l’IRT Railenium, quatre laboratoires de recherche (LMA, LAMCOS, MATEIS et LML) et les principaux acteurs de l’industrie ferroviaire française (RATP, SNCF et British Steel) a été mis en place pour établir des modèles prédictifs de formation de WEL.
La formation de WEL est supposée être due à un chargement thermomécanique cyclique, ou plus précisément à un chargement cyclique de cisaillement (à haute fréquence) sous pression hydrostatique associée à une augmentation modérée de la température. Inspiré des modèles de plasticité TRIP et d’un modèle précédent développé au LMA, un nouveau modèle est présenté pour prédire plus physiquement la formation de WEL.
Des simulations 2-D par éléments finis d’un rail (coupe dans le sens longitudinal) soumise à un chargement thermomécanique cyclique sont présentées dans un premier temps pour voir la capacité du modèle à reproduire l’évolution progressive de la microstructure jusqu’à la formation de WEL. Des zones de WEL du même ordre de grandeur que celles observées dans les rails sont obtenues avec succès après un nombre donné de cycles imposés.
La seconde partie s’intéressera à la mise en œuvre d’essais expérimentaux pour la création de phase blanche et l’identification des paramètres du modèle. Il s’agit d’essais cycliques de cisaillement pur sous température contrôlée réalisés à l’aide d’éprouvettes « chapeau » et d’une machine d’essai thermomécanique par effet Joule (dispositif GLEEBLE 3800 : LAMCOS-MATEIS, INSA Lyon).