Mécanique et mésomécanique de l'écaille : Essais expérimentaux et critères de rupture : Etude d'un alliage d'aluminium et d'un acier de blindage

par Pierre Chevrier

Thèse de doctorat en Sciences de l'ingénieur

Sous la direction de Janusz Roman Klepaczko.

Soutenue en 1998

à Metz .


  • Résumé

    Le chargement dynamique d'un matériau peut provoquer, sous certaines conditions, son endommagement et sa rupture par le phénomène dit d'écaillage. C'est le résultat de la mise en traction très rapide d'une partie du matériau par le croisement de deux ondes de détente. Ce mode de rupture des métaux et alliages est sensible à la vitesse de déformation, à l'état de contrainte, à l'histoire du chargement, à la température initiale et à la microstructure. En laboratoire, l'écaillage d'un matériau peut être obtenu, avec des conditions aux limites et des conditions initiales bien définies, à partir d'impact symètrique de plaque, ou un état de déformation uniaxial est prépondérant. Le dispositif expérimental d'impact plaque sur plaque a été concu au L. P. M. M. Dans le cadre de cette thèse. Il est constitué d'un lanceur à gaz entièrement informatisé et de son banc de mesure. Ce dispositif a permis de déterminer la contrainte seuil d'écaillage pour plusieurs temps de chargement de deux matériaux. Afin de mieux comprendre la cinétique de formation de la surface libre d'écaillage (amorçage, croissance et coalescence de microfissures), de nombreuses observations des sections de cible au microscope optique et des plans d'écaillage au microscope électronique à balayage ont été faites. Les effets de la température initiale sur la contrainte seuil d'écaillage et notamment la présence d'une transition fragile-ductile sont analysées par le biais d'une étude bibliographique. L'ensemble des données expérimentales et bibliographiques ont permis de modifier un premier critère base sur la statistique de Boltzmann et l'activation thermique, proposé par Klepaczko. Les observations mésoscopiques des sections de cibles ecaillées ont permis grace à une analyse plus approfondie de supposer que deux mécanismes principaux, l'amorçage fragile et la coalescence par cisaillement (plasticité), sont à l'origine de la rupture finale de l'éprouvette. Une analyse statistique de la participation de ces deux mécanismes à la rupture finale est à la base d'un nouveau critère, plus proche des mésomécanismes en jeux sans entrer dans la complexite des modèles microstatistiques. Ces résultats ont apportés des élements de réponses qui serviront a la modèlisation et à la simulation des problèmes d'écaillage mais aussi de rupture dynamique en général.

  • Titre traduit

    Mechanic and mesomechanic of spalling : Experimental tests ans spall criteria : study of an aluminum alloy and high steel


  • Résumé

    A special case of dynamic fracture is spallation of materials exposed to high-rate loading' Spall fracture results from the tension produced by the interaction of propagating rarefaction waves. Such waves can be caused by the impact of projectile against a target. In this case, the initial compressive stress wave traveling across the target reflects back at the free surface as a propagating tensile wave. A similar process, appositely directed, occurs in the flyer plate. The superposition of the propagating tensile wave fronts, when of sufficient intensity (amplitude) and time duration, can cause partial or complete separation of the material along a plane perpendicular to the direction of wave fronts. Mechanisms of dynamic fracture are generally dependant on strain rate, stress state, loading history, initial temperature and also microstructure. A setup for plate impact experiment has been completed within this work. This setup is composed of a high pressure gas launcher which is controlled entirely by a computer and an autornaton. All plate impact experiments can be performed in vacuum at different impact velocities from 50 m. S. -1 to 600 m. S. -1. It has permitted to obtain and analyze different stages of spall fracture for several loading times between 0. 8 [mu]s and 2. 6 [mu]s for two different materials : aluminum alloy 7020-T6 and armor steel Mars 190. Numerous observations of spall surfaces and profiles allowed to show that nucleation, growth and coalescence of microvoids or microcracks play the most important role in the fracture process. The effect of initial temperature on the threshold stress of spalling have been studied via a literature survey. All those experimental data allowed to modify the cumulative criterion based on Boltzmann statistics, proposed by Klepaczko, in order to take into account the temperature effects. A new meso-model is also developed in order to estimate particular contributions of quasi-brittle fracture and shear fracture to the total critical stress. This work provides some answers how to model and simulate the spall fracture and more generally the dynamic fracture.

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Informations

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  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Notes bibliogr. en fin de chapitres

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