Analyse statistique de l'endommagement sous choc dans des matériaux ductiles

Statitical analysis of ductile damage under impact loading

• Auteur / Autrice : Corentin Thouénon
• Direction : Jacques Besson, François Willot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 06/11/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre des Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : SIMS - Simulation des matériaux et des structures - MAT
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Mines Paris-PSL

Mots clés

Mots clés libres

Écaillage

Choc

Statistiques

Endommagement

Spallation

Impact

Statistics

Damage

Résumé

L'endommagement d'un métal suite au passage d'une onde de choc est un problème complexe pour lequel des données expérimentales permettant de discriminer entre les différents modèles manquent. Ce phénomène se produit lorsque deux ondes de détente se croisent provoquant localement une tension importante sur l'échantillon. Cette tension induit l'initiation de pores qui croissent et coalescent ce qui peut conduire à la fracturation totale de l'échantillon à l'échelle macroscopique et à l'éjection d'une écaille. L'une des difficultés actuelles réside dans la caractérisation et la modélisation des effets collectifs de la croissance simultanée de nombreux pores. La plupart des modèles d'évolution de la densité de pores supposent le matériau incompressible et représentent donc mal les interaction entre pores. Néanmoins, ces interactions sont susceptibles d'avoir une influence notable pendant la phase de cavitation, où un écrantage peut se mettre en place. En général, les modèles de nucléations fournissent une densité de pores initiale, pouvant dépendre du taux de chargement mais ne tiennent pas compte de ces effets. Par ailleurs, l'inertie rend critique la détermination de la densité initiale de pore en introduisant une dépendance significative de la vitesse de croissance aux rayons des pores. Une estimation non biaisée de cette densité initiale est nécessaire pour la pertinence des modèles. L'objectif de cette étude est de comprendre les effets collectifs allant de l'écrantage dans la phase de germination à la percolation dans la phase de coalescence. Différents outils expérimentaux (impact laser) et analytiques seront mis en place dans le but de construire un indicateur de ces effets collectifs dans l'organisation statistique des pores.Les fluctuations spatiales de hauteurs de la surface écaillée permettant d'étudier les corrélations existantes aux différentes échelles seront caractérisées. Les distributions de cupules sur la surface ou de pores dans le volume seront mesurées. Leur détection peut être difficile et nécessitera le développement de méthodes de traitement d'image, éventuellement en utilisant des outils d'intelligence artificielle. L'existence d'une relation univoque entre ces quantités et la dynamique des pores n'est pas assurée. Des microstructures ad hoc, issues de modèles de croissance géométriques, isolant certaines propriétés statistiques seront construites pour discriminer ce qui peut être déduit, ou non, des études expérimentales. L'influence des paramètres du problème sur cette organisation, telles que la pression de choc et la vitesse de chargement, sera étudiée.

The dynamic damage of a metal under impact loading is a highly complex problem, for which we lack sufficient experimental data to effectively discriminate between different models. This phenomenon occurs when two tension waves intersect, resulting in significant local stress on the sample. This stress induce the nucleation of pores that grow and coalesce, potentially leading to complete fracturing of the sample on a macroscopicscale. Such phenomena typically occures at extremely high strain rates. One of the major challenges lies in accurately characterizing and modeling the collective effects arising from the simultaneous growth of numerous pores. Most existing models for the evolution of pore density in materials neglect the material's compressibility, thereby disregarding any interactions between pores. However, these interactions are likely to occurduring the cavitation phase, characterized by a scouring effect. Nucleation models have been developed toaddress this issue, considering the dependence on loading rate, yet they do not account for collective effects. These models provide initial pore densities, which strongly influence pore growth due to inertia effects and their significant dependence on pore initial radius.The goal of this PhD research is to identify an indicator for collective effects in the statistical organization of pores. The study will focus on two specific quantities: spatial fluctuations in the height of the spall surface and the distribution of dimples on the surface. The investigation will analyze how problem parameters, such as impact pressure and loading speed, influence this organization.