A Two-Phase Model for the Mechanical Behavior of Semicrystalline Polymers
Un modèle biphasique pour le comportement mécanique des polymères semi-cristallins
Institut Français du Pétrole
Corresponding author: laurent. cangemi@ifp. fr
The increasing use of semicrystalline polymers (SCP) in complex industrial structures, requires the development of reliable and predictive mechanical behavior models. The various approaches developed in the literature are considered and experimental results obtained from tests on PVF2 and on PA11 are presented. These results show that these polymers are sensitive to the mean stress, and that the volume strain cannot be neglected and should be taken into account to model the material behavior. From the mechanical models existing in the literature, one can define three categories according to the scale of representation used (micro, meso and macro) and the information which they allow to extract from the microstructure. It turns out that the adoption of an intermediate meso-scale constitutes a good compromise between theoretical difficulties and richness of modeling. This pragmatic choice leans on a two-phase representation of SCP, who allows to make a continuous transition from the microscopic scale to the macroscopic scale. The thermodynamics of open systems leads to introduce a mechanical coupling equation between a solidphase (including the crystal) and a softphase or a fluidphase (essentially amorphous). The model is then completed by an elastoviscoplastic formulation allowing to describe the particular volume strain of SCP, the effects of the loading rate and of the mean stress. The model is validated against results of tension tests carried out on these two types of SCP used in the oil industry.
Résumé
L'utilisation croissante des polymères semi-cristallins (PSC) dans des structures industrielles complexes nécessite la mise au point de modèles de comportement mécanique fiables et prédictifs. Après avoir rappelé les différentes approches développées dans la littérature, nous présentons des résultats expérimentaux obtenus sur du PVDF et sur du PA11. Ceux-ci montrent que ces polymères sont sensibles à la contrainte moyenne et que leur déformation volumique, loin d'être négligeable, doit être prise en compte pour la modélisation du comportement du matériau. À partir des modèles mécaniques existant dans la littérature, on peut définir trois grandes classes de modélisation en fonction de l'échelle de représentation utilisée (micro, méso et macro) et de la nature des informations qu'elles permettent d'extraire de la microstructure. Il s'avère que l'adoption d'une échelle mésoscopique intermédiaire constitue un bon compromis entre difficultés théoriques et richesse de modélisation. Ce choix pragmatique s'appuie sur une représentation biphasique particulière de la microstructure des PSC. Elle permet d'effectuer une transition continue entre l'échelle mésoscopique et l'échelle macroscopique. L'utilisation de la thermodynamique des systèmes ouverts conduit à introduire une équation de couplage mécanique entre une phase solide (comprenant le cristal) et une phase dite molleou fluide(essentiellement amorphe). Le modèle est ensuite complété par une formulation élastoviscoplastique permettant de décrire la variation de volume particulière des PSC, leur sensibilité à la vitesse de sollicitation et à la contrainte moyenne. La modélisation est confrontée aux résultats d'essais de traction effectués sur ces deux types de PSC utilisés dans l'industrie pétrolière.
© IFP, 2001