Etude du comportement de céramiques à blindage sous chargement de compression haute-vitesse par essais d’impact de plaque plan ou sans choc

Investigation of the behaviour of armour ceramics under high strain-rate compression loading by considering planar or shockless plate-impact experiments

• Auteur / Autrice : Julia Genevois
• Direction : Pascal Forquin, Jean-Luc Zinszner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• 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 : Alessandra Benuzzi-Mounaix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Maître, Antonio Cosculluela, Julien Baroth
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thibaut de Rességuier, Laurent Berthe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie

Capteurs de pression

Mots clés libres

Céramiques de blindage

Impact de plaque

Jauge de pression

Interférométrie laser

Simulation numérique

Armour Ceramics

Plate-Impact

Pressure gauge

Laser interferometry

Numerical modeling

Résumé

Les matériaux céramiques sont largement utilisés dans la composition de blindages ou de structures de protection car ils permettent, à performances égales, un gain de masse important par rapport à leurs homologues en acier. Dans ces conditions, ils subissent des chargements extrêmes conduisant à des mécanismes de microplasticité et d’endommagement sous fort confinement et sous haute vitesse. Pour bien comprendre le comportement de ces matériaux il est nécessaire de procéder à une caractérisation du comportement mécanique sous des conditions de vitesse et de pression représentatives. Plusieurs techniques expérimentales sont utilisées pour étudier le comportement dynamique des céramiques sous fort confinement. Parmi elles figure la technique d'essai d'impact de plaque. Au cours de cet essai, une plaque impactrice (souvent constituée d'un matériau métallique) frappe le matériau cible, et certaines propriétés mécaniques telles que la limite élastique d'Hugoniot (HEL) ainsi que la courbe d'Hugoniot du matériau peuvent être déduites grâce au profil de vitesse mesuré en face arrière de la cible. Néanmoins, ce test présente l'inconvénient de générer une discontinuité de l’état de contrainte sans passer par les états de contrainte et de densité intermédiaire.L’un des objectifs de cette thèse a été de développer et de mettre en œuvre une configuration expérimentale d’impact de plaques sans choc permettant de pratiquer une Analyse Lagrangienne. Les différentes campagnes expérimentales ont été effectuées à l’aide du lanceur présent au sein du laboratoire 3SR. L’utilisation de plaque impactrice ondulée permettant de générer une rampe de chargement a été validée à l’aide d’essais sur acier 316L qui présente l’avantage de ne pas changer de phase sur la plage des contraintes étudiées. Par la suite deux céramiques, l’alumine F99.7 et le SiC Forceram, ont été étudiées dans cette configuration. Ces essais, couplés à l’utilisation de la technique d’analyse lagrangienne, ont permis d’obtenir la courbe de la contrainte axiale en fonction de la déformation axiale au-delà de la HEL.Parallèlement aux essais sans choc, des configurations d’impact de plaque plan ont été développées pour caractériser les profils temporels de contraintes axiales et radiales dans la céramique. Cette configuration repose sur l’utilisation de jauges piezorésistives en Manganin. Ces essais ont été pratiqués sur des cibles en acier puis en alumine. Les résultats ont été comparés avec ceux obtenus par mesure de vitesse en face arrière pratiquée pendant ces mêmes essais.L’ensemble des résultats expérimentaux de la thèse ont été comparés à des simulations numériques par éléments finis s’appuyant sur un modèle de plasticité de type JH2 (Johnson–Holmquist). Ces calculs ont permis d’identifier par approche inverse les paramètres du modèle de comportement de la céramique permettant de mieux appréhender le comportement mécanique de ces matériaux sous de telles conditions de chargement. Néanmoins, d’autres essais, notamment des essais triaxiaux, pourront être envisagés afin de compléter l’identification d’un modèle de comportement pour ces microstructures sous des pressions intermédiaires de confinement.

Ceramic materials are widely used in armour or protective structures providing weight savings for equivalent performance compared to their steel counterparts. In these conditions, they experience extreme damage, micro-plasticity and fragmentation mechanisms. To fully understand these behaviours, characterization under high-strain-rate compression needs to be conducted. Several experimental techniques, such as the plate-impact test, are used to investigate the dynamic behaviour of ceramic under high compressive loading. During this experiment, a flyer plate (often made of a metallic material) strikes the target, and some mechanical properties such as the HEL (Hugoniot Elastic Limit) as well as the Hugoniot curve of the material can be deduced from the rear side velocity measured at the back of the target. Nevertheless, this test do not provide a controllable loading-rate in the target and the hardening behaviour cannot be directly deduced.One of the aims of this thesis was to develop and implement an experimental shockless plate-impact configuration enabling Lagrangian Analysis. The various experimental campaigns were carried out using the 3SR laboratory launcher. The use of wavy flyer plates to generate a loading ramp was validated using tests on 316L steel, which has the asset of not changing phase in the range of studied stresses. Two ceramics, F99.7 alumina and Forceram SiC, were then studied in this configuration. These tests coupled with Lagrangian analysis enable to obtain the curve of axial stress as a function of axial strain beyond the HEL.At the same time, some other plate impact configurations were developed to characterise the temporal profiles of axial and radial stresses in the ceramic. This configuration is based on the use of Manganin piezoresistive gauges. These tests were carried out on steel and alumina targets. The results were compared with the ones obtained by rear side velocity measurements during the same tests.The experimental results from the thesis were compared with numerical finite element simulations based on a JH2-type (Johnson–Holmquist) plasticity model. These calculations were used to identify the parameters of the ceramic behaviour model thanks to an inverse approach. It helps providing a better understanding of the mechanical behaviour of these materials under such loading conditions. Nevertheless, other tests, in particular triaxial tests, could be further considered in order to complete the identification of a constitutive model for these microstructures under intermediate confinement pressures.