Contribution à la caractérisation et à la modélisation du micro-écaillage de l'étain fondu sous choc

Contribution towards the characterization and modelling of micro-spalling in shock-melted tin

• Auteur / Autrice : Loïc Signor
• Direction : André Dragon, Thibaut de Rességuier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Poitiers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étain

Analyse

Métaux -- Corrosion sous contrainte

Fusion (chimie physique)

Réactions de fragmentation

Résumé

Lorsqu’un matériau est soumis `a une onde de choc non-soutenue suffisamment intense pour induire sa fusion, les contraintes de traction générées à la réflexion de cette onde sur une surface libre se développent au sein d’un milieu liquide. Il en résulte un processus de fragmentation dynamique, appelé micro-écaillage, qui conduit à la création d’un nuage de fines gouttelettes. L’objectif de la thèse est d’améliorer la compréhension de ce phénomène afin d’en proposer une modélisation physique. Le travail expérimental, combinant des essais d’impact de plaques et de choc laser sur l’étain, permet de constituer une base de données de référence sur le micro-écaillage. Des d´eveloppements théoriques et numériques, reposant sur l’analyse de modèles existants fondés sur une approche énergétique globale, conduisent à la formulation d’un critère de fragmentation approprié au micro-écaillage, implémenté dans un code de calcul. Les résultats des simulations apportent une première description du nuage de particules : distributions de tailles, de vitesses et état du liquide qui les compose. En parallèle, une seconde approche de modélisation est entreprise pour mieux cerner les mécanismes physiques élémentaires mis en jeu lors du micro-écaillage. Motivée par des observations expérimentales, l’étude micro-mécanique d’une sphère creuse constituée d’étain liquide en expansion dynamique permet de d´ecrire l’évolution de la cavitation au sein des métaux liquides et d’en déduire les conditions pour lesquelles celle-ci peut effectivement conduire à la fragmentation. Les résultats de cette étude confortent certaines prédictions du modèle de fragmentation fondé sur une approche énergétique globale.

When a material is subjected to an unsupported shock wave sufficiently intense to induce melting, tensile stresses produced upon reflection of this wave on a free surface are generated in a liquid state. As a consequence, a dynamic fragmentation process called micro-spalling occurs, leading to the creation of a cloud of fine droplets. This thesis aims at providing a better understanding of this phenomenon in order to develop a physical modelling. Experimental investigation, including plate impacts and laser-driven shocks on tin, provides fundamental data concerning the micro-spalling process. Theoretical and numerical analysis of existing fragmentation models based on global energetic approach leads to the formulation of a fragmentation criterion appropriate for micro-spalling that is implemented in a hydrocode. Computations provide a first description of the droplets cloud in terms of size and velocity distributions, as well as information about the state of the liquid and its evolution. In parallel, a second modelling approach aims at identifying the physical mechanisms responsible for fragmentation during the micro-spalling process. Cavitation, observed experimentally, is described by means of a hollow sphere model that allows defining the conditions for which the growth of micro-voids can lead to fragmentation in liquid metals. Quantitative results strengthen some predictions of the former fragmentation model based on energetic approach