Brevet FR3057355A1 — publié le 20180413

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR MESURER LA RESISTANCE DES MATERIAUX SOLIDES PAR IMPACT DE PLAQUES SANS CHOC Domaine de l'invention Le domaine de cette invention est celui de la mesure de la résistance des matériaux solides à haute vitesse de chargement. En particulier, cette demande concerne un nouveau procédé et un nouveau dispositif pour la mesure de la résistance des matériaux solides, en particulier des matériaux fragiles, basé sur la technique d'impact de plaques. Arrière-plan technologique Les matériaux fragiles comme les céramiques, le béton, les roches ou le verre, sont des matériaux qui se fracturent sans déformations importantes lorsqu'ils sont soumis à des 15 contraintes mécaniques. Ces matériaux peuvent être soumis à des conditions extrêmes et des chargements (c'est-à-dire des contraintes) élevés dans diverses applications. Par exemple, les céramiques sont utilisées dans les blindages : leur extrême dureté et résistance à la compression leur 20 permettent de pulvériser et d'arrêter des projectiles de petit et moyen calibres. Dans ces conditions extrêmes, les matériaux fragiles connaissent des mécanismes de déformation et d'endommagement tels que microplasticité, microfissuration ou fragmentation. Cependant, ces mécanismes sont mal connus à haute vitesse de chargement de sorte qu'il est difficile de prévoir le comportement de ces matériaux dans ces conditions, 25 alors même qu'il est essentiel de pouvoir comprendre et modéliser ces processus d'endommagement dans certaines applications parmi lesquelles on peut citer : - la résistance des blindages sous impact ; - le contrôle de la distribution de taille de bloc dans le dynamitage de roche calcaire dans les carrières pour la production de granulats ou de sable ; 30 - l'utilisation d'outils de forage à percussion en génie civil ; - la résistance des structures en béton sous un choc ou une explosion. Il existe principalement deux techniques pour caractériser les matériaux fragiles à très haute vitesse de chargement : la technique d'impact de plaques et la technique des 35 courants pulsés. La technique d'impact de plaques est couramment utilisée depuis plusieurs décennies pour caractériser le comportement des matériaux sous choc. Cette technique est simple à 10 3057355 2 mettre en oeuvre et consiste à faire impacter deux plaques dans le but de générer un choc. Cet essai est généralement réalisé à l'aide d'un lanceur à gaz de laboratoire. L'une des plaques dite "impacteur" est installée sur un sabot, ce qui constitue le projectile, tandis que l'autre plaque constituée du matériau à caractériser constitue la cible. 5 L'impacteur est alors propulsé vers le matériau cible à une certaine vitesse d'impact Vi. Cependant, une fois la vitesse d'impact et l'impacteur choisis en fonction du niveau de choc à atteindre, il n'est pas possible de modifier la vitesse de chargement, c'est-à-dire l'incrément de contrainte (pression) transmis au matériau cible par unité de temps. Il n'est donc pas possible de contrôler le temps de chargement (ou front de montée), c'est- à-dire le temps qu'il faut pour que le chargement soit transmis au matériau cible. La vitesse d'impact étant généralement très élevée dans ces essais, de l'ordre de quelques centaines de mètres/s à plusieurs milliers de mètres/s, la vitesse de déformation est très élevée (de l'ordre de 106 à 1010 s-1) et le temps de chargement est très court dans la phase élastique (inférieur à 0,1 ps), ce qui ne correspond pas aux conditions de chargement réellement rencontrées durant l'utilisation du matériau fragile. En l'absence de mesure précise de la vitesse de chargement, les résultats obtenus par ce type d'essai ne sont pas aisément exploitables, de sorte qu'il est difficile de prévoir la sensibilité du comportement des matériaux à caractériser à la vitesse de déformation. Enfin, dans le cas d'un choc, la discontinuité de pression rend impossible d'effectuer une analyse lagrangienne à partir des résultats sous la forme d'une relation contrainte axiale- déformation axiale. Cette limitation peut être corrigée par l'utilisation de matériaux à gradients de propriétés dans l'impacteur. Cependant, cette solution présente des coûts et des délais de développement et de production importants. De plus, d'une part, ce système réduit le niveau de choc dans la cible et, d'autre part, la vitesse d'impact étant choisie en fonction du niveau de choc à atteindre, la vitesse de chargement ne peut pas être facilement ajustée. La technique des courants pulsés est effectuée à l'aide d'un Générateur Electrique de Pressions Intenses (GEPI). Un courant intense (environ 3,5 MA) est utilisé pour accélérer l'échantillon à analyser en contact avec une électrode. Cette technique a l'avantage d'éviter le phénomène de choc en produisant une accélération continue de l'échantillon collé à l'électrode. Cependant, ce procédé est difficile à mettre en place et l'appareil utilisé a un coût très élevé. En outre, le temps de montée du chargement est fixé et ne peut être ajusté. Enfin, le champ magnétique intense induit par le courant à haute intensité rend difficile ou impossible l'utilisation simultanée d'autres appareils, notamment pour mesurer la pression (jauges piezorésistives). 3057355 3 Ces deux techniques de caractérisation présentent donc chacune des inconvénients importants. Ob ' ectifs 5 Dans ce contexte, la présente invention vise à satisfaire au moins l'un des objectifs suivants. Un des objectifs essentiels de l'invention est la fourniture d'un procédé permettant de 10 mesurer la résistance des matériaux solides qui soit facile à mettre en oeuvre. Un des objectifs essentiels de l'invention est la fourniture d'un procédé permettant de mesurer la résistance des matériaux solides à haute vitesse de chargement qui soit facile à mettre en oeuvre. 15 Un des objectifs essentiels de l'invention est la fourniture d'un procédé permettant de mesurer la résistance des matériaux solides en compression isentropique (sans choc) et en traction dynamique. 20 Un des objectifs essentiels de l'invention est la fourniture d'un procédé permettant de mesurer la résistance des matériaux solides avec la possibilité de choisir la vitesse de chargement appliquée au matériau cible. Un des objectifs essentiels de l'invention est la fourniture d'un procédé permettant de 25 mesurer la résistance des matériaux solides selon une vitesse de chargement et un temps de chargement qui soient proches de ceux constatés dans les conditions réelles. Un des objectifs essentiels de l'invention est la fourniture d'un procédé permettant de mesurer la résistance des matériaux solides et permettant de procéder à une analyse 30 lagrangienne à partir des données obtenues. Un des objectifs essentiels de l'invention est la fourniture d'un procédé permettant de mesurer la résistance des matériaux solides et permettant de modéliser le comportement de matériaux solides. 35 Un des objectifs essentiels de l'invention est la fourniture d'un dispositif permettant de mettre en oeuvre un procédé ayant tout ou partie des caractéristiques ci-dessus. 3057355 4 Définitions Par « matériau solide » on entend, par exemple, un matériau à l'état solide qui est caractérisé par une structure rigide et son incapacité à épouser la forme du récipient 5 dans lequel on le place, à pression et température ambiantes. Par « matériau fragile », on entend, par exemple, un matériau qui se fracture sans déformations importantes lorsqu'il est soumis à des contraintes mécaniques, c'est-à-dire ayant i. a. une déformation en rupture 30 mm) rayons. La figure 12b représente la contrainte axiale au milieu de l'échantillon en fonction du temps en considérant différent rayons R. Les résultats montrent que l'influence de rayon R n'est pas significative dans la gamme 25 de rayon testé (4-28 mm) pour les 3 premières lis. La même tendance est obtenue en ce qui concerne la vitesse matérielle à l'interface échantillon/matériau fenêtre. Aucune influence substantielle du rayon ne peut être détectée dans la gamme testée (4-24 mm) jusqu'à T = 3i_is (cf figure 12e). De plus, une comparaison a été effectuée entre les résultats obtenus en 2D plan et les mêmes résultats ont été observés en termes de 30 contrainte axiale et de vitesse matérielle. Cette simulation axisymétrique atteste donc de la validité de la simulation précédente en 2D plan demi-période à condition que le rayon soit assez grand comparé à la période (2a) et assez petit comparé au rayon externe afin de garantir qu'il n'y a aucune influence des ondes réfléchies sur les surfaces latérales. 35 Exemple 4 - Analyse lagrangienne En comparaison avec la technique d'impact de plaques traditionnelle où seulement 1 point de la courbe Hugoniot du matériau est obtenu pour chaque essai, l'analyse 3057355 23 lagrangienne effectuée lors des essais sans choc permet de déterminer une réponse complète (contrainte axiale en fonction de la déformation axiale) du matériau testé pour un trajet de chargement en déformation uniaxiale. Cette analyse lagrangienne est basée sur 2 mesures de la vitesse matérielle à l'interface échantillon à analyser/matériau 5 fenêtre en considérant deux échantillons d'épaisseur différentes. Une précondition pour procéder à une analyse lagrangienne est d'appliquer le même chargement à tous les échantillons. Dans notre cas, des échantillons de carbures de silicium SiC de 6 et 8 mm ont été considérés. De même du LiF est utilisé comme matériau fenêtre. Les propriétés de ces matériaux sont identiques à celles du tableau 2. 10 L'analyse lagrangienne est basée sur une intégration des équations de conservation de masse, de moment et d'énergie (Plane stress wave propagation in solids, Fowles R., Williams R.F., J. Appl. Phys. (1970) 41, 360-363. Lagrangian analysis. Modern tool of the dynamics of solids, Cagnoux J., Chartagnac P., Héreil P., Perez M. Ann. Phys. Fr. 15 (1987) 12, 451-524). Dans un premier temps, en connaissant la différence de temps entre les deux signaux de vitesse, il est possible de calculer la vitesse des ondes longitudinales cL(up) associée à chaque vitesse matérielle. Il est important de préciser que la vitesse de l'onde n'est pas constante et dépend du comportement du matériau et de la vitesse matérielle. Les ratios d'impédance entre le matériau fenêtre et l'échantillon 20 céramique permet de déterminer la vitesse matérielle in-situ de la céramique. Les incréments de vitesse matérielle in-situ (dur) et de vitesse d'onde associée c,(up) permettent de calculer les augmentations de contrainte axiale do-r, de volume spécifique dv ou de déformation axiale de, dans la céramique selon les équations (4), (5) et (6) : do-x = -poCL(up)dup 1 dv = Poci(up)duP dup dE, = ci(up) Différentes simulations numériques d'impact de plaques sans choc ont été effectuées afin de déterminer l'influence des positions des points de mesure de vitesse (en relation avec la géométrie ondulée de l'impacteur) sur les résultats de l'analyse lagrangienne. 25 30 35 3057355 24 Différents points de mesures ont été considérés. Les figures 13a-13h comparent les résultats obtenus en termes de contrainte axiale en fonction de la déformation axiale obtenue par le traitement des données de la vitesse matérielle à l'interface échantillon à analyser/matériau fenêtre. Dans le premier cas, les données des simulations 2D de 5 l'exemple 1 qui prennent en compte la possible influence des ondes latérales ont été utilisées. Les vitesses sont mesurées au centre de chaque face arrière de la céramique. Les données de la demi-période de la simulation numérique selon l'exemple 2 ont également été prises en compte. Dans ces calculs, des conditions symétriques sont considérées pour les faces supérieures et inférieures (absence d'onde latérales) et deux 10 épaisseurs d'échantillon sont considérées (6 et 8 mm). Les vitesses sont mesurées en différents points de la face arrière de la céramique (à l'interface avec le matériau fenêtre) notés L (le long de l'axe passant par le point le plus haut du relief), M (le long de l'axe passant au milieu de l'ondulation) ou R (le long de l'axe passant au point le plus bas du relief da la surface ondulée). Il est possible de voir sur la figure 13g que 15 quelle que soit la position du signal de vitesse utilisé pour l'analyse lagrangienne, toutes les relations contrainte/déformation sont constantes. L'écart entre le maximum et le minimum de la courbe est toujours inférieur à 1,5%. Afin de valider les résultats obtenus avec l'analyse lagrangienne, la relation 20 contrainte/déformation déterminée dans le cas de la figure 13a est maintenant comparée à la réponse contrainte/déformation obtenue par le comportement de la céramique selon un trajet de chargement en déformation uniaxiale. On peut observer qu'un petit écart entre les résultats de l'analyse lagrangienne et les résultats théoriques apparaissent dans la partie plastique. Cette différence (environ 2,2 %) est due aux perturbations des 25 signaux de vitesse apparaissant aux interfaces avec le matériau fenêtre. Ces perturbations peuvent être réduites en choisissant le saphir comme matériau fenêtre car le ratio d'impédance entre le SiC et le saphir est nettement meilleur que celui entre le SiC et le LiF. 30 REVENDICATIONS1. Procédé de mesure qualitatif et/ou quantitatif de la résistance d'un matériau solide, de préférence un matériau fragile, par impact de plaques sans choc dans lequel : 1) on met en oeuvre un dispositif d'impact de plaques comprenant : a) un impacteur qui comprend une face impactante et une face opposée à la face impactante et qui est susceptible d'être projeté à une vitesse d'impact Vi contre une cible telle que visée au point c) infra ou une plaque intermédiaire telle que visée au point b) infra ; b) éventuellement, au moins une plaque intermédiaire, disposée entre l'impacteur et la cible et comprenant une face avant impactée et une face opposée, en contact avec la face avant de la cible ; c) une cible formée par au moins une plaque du matériau solide à analyser comprenant une face avant et une face arrière; d) éventuellement, un appareil de mesure de vitesse pointant la face arrière de la cible c) ; e) éventuellement, au moins une plaque de matériau fenêtre en contact avec la face arrière de la cible ; 2) on propulse l'impacteur vers la cible perpendiculairement par rapport au plan de la face impactée de la cible ou de la plaque intermédiaire, de manière à générer un impact entre l'impacteur a) et la cible c) ou la plaque intermédiaire b) ; 3) on mesure qualitativement la résistance par examen visuel et/ou on mesure quantitativement au moins un paramètre physique généré par le choc sur la face opposée de la cible à l'aide de l'appareil d), ledit paramètre physique étant de préférence la vitesse matérielle; caractérisé en ce que a) et/ou b) [lorsque b) est présent] et /ou c) comprend une structure S choisie dans le groupe comprenant, et de préférence constitué par : i. au moins une face présentant un relief, ii. au moins une couche de matériau particulaire, iii. la combinaison de ces deux structures ; avec la condition selon laquelle, dans le cas où la structure est uniquement constituée par au moins une couche de matériau particulaire, le dispositif d'impact de plaques comprend une plaque intermédiaire b). 3057355 26 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que a), b), lorsque b) est présent, et c) sont de forme identique, de préférence cylindrique, et, encore plus préférentiellement, a), b) et c) sont des cylindres coaxiaux. 5 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que a) et/ou b), lorsque b) est présent, et/ou c) est(sont) constitués(s) par plusieurs sections de cylindre selon une ou plusieurs lignes de coupe radiales ou diamétrales, ces sections de cylindre ayant des épaisseurs identiques ou différentes. 10 4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'impacteur a) a un diamètre supérieur ou égal à 2 cm, par exemple un diamètre compris entre 3 et 20 cm ou entre 4 et 12 cm. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en 15 ce que la plaque intermédiaire b) est au moins aussi grande en diamètre que l'impacteur a). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure S comprenant au moins une face présentant un relief choisi 20 parmi : - des trous borgnes, c'est-à-dire non traversant, disposés de manière régulière, et/ou - des rainures et/ou des nervures disposées de manière régulière. 25 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la hauteur h du relief est comprise entre 0,01 et 10 mm, de préférence entre 0,02 et 5 mm, et encore plus préférentiellement, entre 0,1 et 2 mm. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le relief est 30 une succession de sillons circulaires disposés de manières régulières dont la période est inférieure ou égale à l'épaisseur maximale de la pièce a) et/ou b), lorsque b) est présent, et /ou c) 9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8 caractérisé en ce que la face 35 impactante de l'impacteur a) ou la face avant de la plaque intermédiaire b) présente un relief. 3057355 27 10. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8 caractérisé en ce que la face opposée à la face impactante de l'impacteur a) ou la face avant de la plaque intermédiaire b) et la face impactante de l'impacteur a) présentent un relief. 5 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la structure S qui comprend une couche de matériau particulaire comprenant des particules ayant, de préférence, une constante granulométrique D50 comprise entre 10 à 1000 jam de diamètre. 10 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la pièce intermédiaire b) est réalisé dans un matériau ayant une impédance égale à plus ou moins 50% de celle du matériau solide c) à analyser. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce 15 que la pièce intermédiaire a une limite d'élasticité supérieure ou égale à 1/100 du chargement résultant de l'impact. 14. Dispositif d'impact de plaques sans choc destiné à la mise en oeuvre du procédé tel que défini ci-dessus comprenant : 20 a) un impacteur qui comprend une face impactante et une face opposée à la face impactante et qui est susceptible d'être projeté à une vitesse d'impact Vi contre une cible telle que visée au point c) infra ou une plaque intermédiaire telle que visée au point b) infra ; b) éventuellement, au moins une plaque intermédiaire, disposée entre 25 l'impacteur et la cible et comprenant une face avant impactée et une face opposée, en contact avec la face avant de la cible ; c) une cible formée par au moins une plaque du matériau solide à analyser comprenant une face avant et une face arrière; d) éventuellement, un appareil de mesure de vitesse pointant la face 30 arrière de la cible c) ; e) éventuellement, au moins une plaque de matériau fenêtre en contact avec la face arrière de la cible ; caractérisé en ce que a) et/ou b) [lorsque b) est présent] et /ou c) comprend une structure S choisie dans le groupe comprenant, et de préférence constitué par : 35 i. au moins une face présentant un relief, ii. au moins une couche de matériau particulaire, iii. la combinaison de ces deux structures ; 3057355 28 avec la condition selon laquelle, dans le cas où la structure est uniquement constituée par au moins une couche de matériau particulaire, le dispositif d'impact de plaques comprend une plaque intermédiaire b).