Study of temperature and strain fields in metallic materials under high strain rate solicitation
Etude des champs de température et de déformation dans les matériaux métalliques sollicités à grande vitesse de déformation
Résumé
This work concerns the study of the damage and failure mechanisms of metallic materials under dynamic loading. For high strain rates, it appears a strain localization in fine bands called adiabatic shear bands (ASB). As the solicitation duration is very short, the dissipation of the mechanical energy into heat generates strong temperature heterogeneities. To study the mechanisms of formation and propagation of ASB during a dynamic torsion test, we developed an experimental device to measure temperature by pyrometry: for the "low temperatures" ranging between 50°C and 300°C, we use a bar of 32 InSb infra-red detectors in order to study temperature heterogeneities during the ASB formation. The acquisition frequency is 1MHz and the spatial resolution is 43µm. For the "high temperatures" ranging between 800°C and 1600°C, we use an intensified camera whose spectral band is in visible range. The spatial resolution is 2µm and the aperture time is 10µs. This device showed that the temperature could exceed 1100°C with a temperature heterogeneity inside the band. To explain these results, we developed a two-dimensional thermomechanical model of the torsion specimen. A roughness defect was inserted in the center of the test-tube and a Johnson-Cook elasto-thermoviscoplastic behavior law was chosen. The parameters of this law were identified from static and dynamic tests at various temperatures. The solution obtained with the finite elements code Abaqus allows to simulate the formation and the propagation of the ASB. The comparison between the experiment and the model enabled us to propose a mechanism of multiple ASB formation followed by interactions and annihilations of the ASB.
Ce travail porte sur l'étude des mécanismes d'endommagement et de rupture des matériaux métalliques sous sollicitation dynamique. Pour de grandes vitesses de déformation, il apparaît une localisation de la déformation sous forme de fines bandes appelées bandes de cisaillement adiabatique (BCA). Comme la durée de sollicitation est très courte, la dissipation de l'énergie mécanique sous forme de chaleur génère de fortes hétérogénéités de température. Pour étudier les mécanismes d'amorçage et de propagation d'une BCA lors d'un essai de torsion dynamique, nous avons développé un dispositif de mesure par pyrométrie : pour les "basses températures" comprises entre 50°C et 300°C, nous utilisons une barrette de 32 détecteurs infrarouges InSb afin d'étudier les hétérogénéités de température pendant l'amorçage de la BCA. La fréquence d'acquisition est de 1MHz et la résolution spatiale de 43µm. Pour les "hautes températures" comprises entre 800°C et 1600°C, nous utilisons une caméra intensifiée sensible dans le visible. La résolution spatiale est de 2µm et le temps d'ouverture est de 10µs. Ce dispositif a montré que la température pouvait dépasser 1100°C avec hétérogénéité au sein même de la bande. Pour interpréter ces résultats, nous avons développé un modèle thermomécanique bidimensionnel de l'éprouvette de torsion. Un défaut de rugosité a été inséré au centre de l'éprouvette et une loi de comportement élasto-thermoviscoplastique a été choisie. Les paramètres de la loi d'écoulement plastique de type Johnson-Cook ont été identifiés à partir d'essais statiques et dynamiques à différentes températures. La solution obtenue avec le code de calcul éléments finis Abaqus permet de simuler l'amorçage et la propagation de la BCA. La confrontation entre l'expérience et le modèle nous a permis de proposer un mécanisme d'amorçage de multiples BCA suivi d'interactions et d'annihilations des BCA entre elles.