Analyse expérimentale et numérique des modes d’endommagement induits dans des matériaux céramiques sous chargement dynamique

Experimental and numerical analysis of the failure modes induced in ceramic materials under dynamic loading

• Auteur / Autrice : Marielle Dargaud
• Direction : Pascal Forquin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 23/04/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Yannick Champion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Forquin, Daniel Eakins, Eric Buzaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Roux, Michel Arrigoni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fatigue

Matériaux céramiques

Mots clés libres

Céramiques

Matériaux fragiles

Fragmentation dynamique

Micro-Tomographie

Sensibilité à la vitesse de déformation

Modèle d'endommagement

Ceramics

Brittle materials

Dynamic fragmentation

X-Ray Computed Tomography

Strain rate sensitivity

Damage model

Résumé

De par leur aptitude à résister à des chargements mécaniques extrêmes, les céramiques sont utilisées comme matériaux constitutifs de blindages. Couplées à une face arrière ductile, elles permettent un gain de poids considérable. Le lien entre les mécanismes d'endommagement générés au sein de la céramique lors de l'impact, et ses propriétés microstructurales n'est pas encore bien compris. L'approche classique adoptée pour leur développement consiste ainsi à itérer entre la fabrication de nouveaux matériaux et l'évaluation de leurs performances via des essais balistiques. Cependant, ce type d'optimisation est coûteux et ne permet que très rarement de tirer des conclusions sur ce lien entre propriétés microstructurales et performances balistiques. Le premier objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension du lien entre microstructure et mécanismes d'endommagement engendrés sous chargement dynamique. Ces résultats visent à enrichir une modélisation, représentative du comportement fragile des matériaux céramiques sous chargement de traction dynamique, et sur une large gamme de vitesses de déformations.Les matériaux céramiques sont hautement sensibles à la présence de défauts. A faible vitesse de déformation, ils présentent une résistance stochastique reliée à la taille du défaut le plus critique du volume sollicité. L'approche classique consiste à utiliser des essais quasi-statiques pour identifier les défauts responsables de la rupture (approche de Weibull) et supposer qu’ils sont aussi à l'origine du processus de rupture sous chargement dynamique. Ce travail remet en question cette hypothèse. A haute vitesse de déformation, de nombreuses fissures s'amorcent simultanément sur de multiples défauts et conduisent à une fragmentation intense et déterministe. Six matériaux céramiques de propriétés microstructurales différentes sont analysés et testés sous chargement dynamique. Des essais dynamiques, hautement instrumentés, de type impact sur tranche, normal et tandem, combinés à une analyse par micro-tomographie des faciès d’endommagement, ont permis de mieux comprendre leurs propriétés de fragmentation. Une technique d'écaillage par impact de plaques sans choc a été développée pour évaluer la sensibilité à la vitesse de déformation de la résistance intrinsèque en traction de matériaux céramiques. La conception de plaques impactrices ondulées a permis de transmettre un chargement contrôlé à l'échantillon testé. Une approche hybride, combinant des simulations numériques et des résultats expérimentaux, a mis en évidence le lien entre leur résistance à l'écaillage et la vitesse de déformation.Une nouvelle méthodologie est proposée pour modéliser le processus de fragmentation induit dans les céramiques à haute vitesse de chargement. Cette approche s'appuie sur l'identification des défauts (essentiellement des porosités) à partir d'analyses micro-tomographiques. Cette description réaliste de la distribution de défauts est implémentée dans le modèle d'endommagement Denoual-Forquin-Hild (DFH) de façon explicite, via des approches dites discrète et continue, pour prédire le comportement sous chargement de traction dynamique. Une confrontation aux résultats d’essais de fragmentation et d'écaillage, a permis une validation de l'approche. Les prédictions de ce modèle micromécanique sont comparées pour une population de défauts déterminée via l'approche de Weibull et à partir d'analyses micro-tomographiques. Cette étude a montré que, pour des matériaux présentant plusieurs populations de défauts, l'approche de Weibull n'est plus correcte à haute vitesse de déformation, et l'utilisation d'une population de défauts identifiée via micro-tomographie est grandement pertinente. Ces résultats soulignent l'importance de considérer les propriétés microstructurales pour réussir à correctement modéliser le comportement de matériaux céramiques à haute vitesse, et ainsi progresser vers l'optimisation des prochaines solutions de blindage céramique.

Due to their high resistance to extreme loading conditions, ceramic materials have been extensively investigated to be part of vehicle and body armour protections. Combined to a ductile backing, ceramics are very interesting for lightweight bulletproof systems. The link between damage mechanisms occurring in the ceramic upon impact and its microstructural properties is still not well understood. For this reason, a 'make-and-shot' iterative approach is the common way followed to develop this type of material. However, this type of optimisation process is very expensive, time consuming and hardly leads to any conclusions on the link between microstructural features and ballistic performance. The first goal of this PhD is to bring insight on the connection between microstructural properties of the ceramic armour and its failure mechanisms under dynamic loading. The natural second step consists in using these results to improve a modelling, which is representative of ceramic brittle damage under tensile loading on a large range of strain rates.Ceramics are highly sensitive to the presence of inherent defects. Under low loading rate, they have a stochastic strength linked to the size of the most critical defect in the loaded volume. The common approach consists in using quasi-static tests to identify the defects responsible for failure (Weibull approach) and assume that the same ones are causing failure at high loading rates. Such assumption is questioned in the present work. Under high strain rate, numerous cracks are triggered simultaneously from multiple defects, causing an intense and deterministic fragmentation. Six ceramic materials, presenting different microstructural features, are analysed and tested under dynamic conditions in this project. Highly instrumented edge-on impact, normal impact and tandem impact dynamic tests, combined with a micro-tomography analysis of damage patterns, provided a better understanding of the fragmentation properties of the different grades of ceramics. A shockless experimental spalling technique was developed to evaluate the intrinsic tensile strength sensitivity to strain-rate of ceramic materials. To do so, the plate-impact configuration was adapted, using specific flyer-plate geometries designed to generate a tailored loading in the sample. From a hybrid approach mixing numerical simulations and experimental results, the spall-strength of the tested ceramic can be related to a well-controlled loading rate.A new methodology is proposed to model the multiple fragmentation process induced in ceramics under high strain rate. This method is built on the identification of material defects (mainly pores) from micro-tomography analysis. This realistic description of the defect distribution is explicitly implemented in the Denoual-Forquin-Hild (DFH) damage model to predict the dynamic failure behaviour of ceramics under tensile loading, through so-called continuous and discrete approaches. A comparison with experimental results of the fragmentation and spalling tests provided a validation of the approach. Predictions of this micro-mechanical model were compared for a Weibullian distribution of critical defects and a description based on micro-tomography analyses. Comparisons on a large range of strain rates showed that, for materials presenting multiple flaw populations, the Weibull-based solution is highly invalid. In this case, the use of a proper flaw description, obtained via micro-tomography, is much more relevant. These results highlight the importance of considering microstructural features to properly model the failure behaviour of ceramics at high loading rate, and therefore move toward a design of the next generation of ceramic-based armour protections.