Moyens et résultats expérimentaux :
IV.4.4. Trajet de cisaillement dynamique
IV.4.4.1. Moyens expérimentau
Concernant les essais de cisaillement, deux techniques expérimentales ont été utilisées à grandes vitesses de déformation (Γ& >1s-1) : il s’agit des barres hydropneumatiques et des
barres de Hopkinson. Dans le cadre de cette thèse, des essais à grandes vitesses de déformation ont été réalisés au Centre de Recherches et de Développement de Cokerill Sambre (Usinor Recherche et Développement) dans l’équipe de L. Dehbi [DA00] [NW01]. Dans ce paragraphe, on se focalise sur le comportement lors d’un trajet monotone en cisaillement pour l’acier DC05 et l’acier DP600 qui ont été présentés au paragraphe
précédent. Les résultats expérimentaux en cisaillement quasi-statique (Γ& <1s-1) pour l’acier doux (type DC05) sont extraits de la thèse de Rusinek [Rus00]. Tout d’abord, on présente les
deux techniques expérimentales utilisées dans ce travail de thèse.
La barre hydropneumatique permet de réaliser des essais dynamiques pour des vitesses de déformation comprises entre 1s-1 et 150s-1. Son principe de fonctionnement (figure IV.38.) est fondé sur l’équilibre du piston.
Figure IV.38. Schéma de fonctionnement de la barre hydropneumatique.
Un réservoir d’eau distillée alimente la chambre à gauche du piston et un réservoir d’air comprimé alimente la chambre à droite du piston : le piston est mobile. Les essais en traction et en cisaillement sont identiques, seule la géométrie de l’éprouvette varie. Celle-ci, décrite sur la figure IV.39., est la même que celle utilisée avec les barres de Hopkinson. L’éprouvette est découpée par électro-érosion puis collée à un porte-échantillon (colle constituée de polymère viscoélastique) pour être montée sur le banc d’essai. Le fonctionnement de la barre hydropneumatique est le suivant : dans un premier temps le piston mobile doit être plaqué à droite, la chambre à gauche du piston est alors remplie d’eau. La vanne d’eau est alors fermée et une vanne électromagnétique interdit l’écoulement de l’eau à travers l’orifice calibré. Dans un second temps, on ouvre la vanne d’air comprimé afin d’alimenter la chambre à gauche du piston. La dernière étape consiste à ouvrir la vanne électromagnétique afin que la traction se déroule. La vitesse de traction est directement liée au diamètre de l’orifice calibré. La vitesse d’écoulement étant constante, la traction se fera donc à vitesse de déplacement de traverse constante. Le déplacement du piston engendre la déformation de l’échantillon à vitesse de déformation donnée. La mesure du déplacement se fait à l’aide d’un capteur de déplacement (système laser faisant face à un plateau qui se déplace avec le piston) et la mesure de la
Capteur de déplacement EAU AIR VANNES Jauges de contraintes échantillon Orifice calibré Vanne électromagnétique
contrainte se fait à l’aide de jauges de déformation (ces jauges sont attachées à la partie fixe de la barre).
Figure IV.39. Géométrie de l’éprouvette de cisaillement.
Ce dispositif expérimental est utilisé pour des vitesses de déformation allant de 1s-1 à 100s-1 : au-delà de ces valeurs, il est préférable d’utiliser les barres de Hopkinson car les grandes vitesses de déformation engendrent des vibrations perturbant les mesures. Cependant, la barre hydropneumatique, grâce à son système hydropneumatique, permet d’éviter les oscillations dues aux chargements qui caractérisent les machines de Traction Grande Vitesse.
| Barre de Hopkinson
Pour l’étude du comportement dynamique aux très grandes vitesses des aciers, les essais expérimentaux ont été réalisés à l’aide de barres de Hopkinson : cette technique est la plus fiable pour ce type de sollicitation (vitesse de déformation allant de 50s-1 à 5000s-1). Le principe de fonctionnement des barres de Hopkinson est basé principalement sur la propagation d’ondes de contraintes. Le concept de la barre de Hopkinson [Hop14] fut utilisé en compression la première fois en 1949 par Kolsky [Kol49] afin d’obtenir les déformations et les contraintes aux interfaces de l’échantillon pris en « sandwich » entre deux barres de Hopkinson: le banc d’essai fut alors appelé barre de Kolsky (Split Hopkinson Pressure Bar en
anglais). Le montage utilisé en traction ou en cisaillement (figure IV.40.) est basé sur une modification de la barre de Hopkinson réalisée par Albertini et Montagnani [AM74] pour satisfaire deux conditions : d’une part, l’onde incidente doit être inversée de compression en
traction, et, d’autre part, l’onde de traction doit être suffisamment longue pour charger l’éprouvette jusqu’à rupture. Le banc expérimental utilisé consiste en deux moitiés de barres appelées barre incidente et barre de sortie (figure IV.40.). L’éprouvette à analyser est introduite entre ces deux barres par l’intermédiaire d’un porte échantillon. Le rôle de la barre incidente est d’accumuler de l’énergie élastique dans une partie appelée barre de pré- contrainte qui sert d’outil de chargement. Ceci est accompli à l’aide d’un mécanisme de blocage pour la mise en pré-contrainte et de la rupture d’un élément fragile intermédiaire pour le passage de l’onde de contrainte (figure IV.40.). La rupture de la pièce fragile intermédiaire permet donc la transmission, le long de la barre incidente, d’une onde plane élastique uniaxiale de contrainte en traction avec un temps de montée de 50µs. La longueur d’onde de l’onde de traction doit être grande devant le diamètre de la barre (10 mm) et son amplitude ne dépasse pas la limite élastique de la barre. Ces conditions sont satisfaites dans le cas de la barre de Hopkinson modifiée car la longueur de la barre incidente est de 9 mètres et la limite élastique de l’acier constituant la barre (acier Maraging, Rp0,2=1000MPa) est élevée. Le
principe de fonctionnement des barres de Hopkinson est donc le même en traction ou cisaillement, et, comme pour les cas de la barre hydropneumatique, seule la géométrie de l’éprouvette varie (cf. figure IV.39. pour l’éprouvette de cisaillement).
Figure IV.40. Principe de fonctionnement des barres de Hopkinson modifiées en traction ou en cisaillement.
L’onde se propage le long de la barre avec une vitesse Co (vitesse élastique de l’onde) et
sa forme reste constante. Quand l’onde atteint une extrémité de l’échantillon (figure IV.41.), une partie de celle-ci est réfléchie (notée Er), une autre est transmise (notée Et) et passe à
échantillon Barre sortie
Barre incidente
Jauges
Système de blocage temporaire Piston hydraulique Barre de précontraintetravers l’échantillon pour se propager à travers la barre de sortie : les amplitudes relatives des ondes dépendent des propriétés mécaniques de l’échantillon. Il est utile de noter que l’onde incidente dure longtemps (1000µs) comparé au temps de passage à travers l’échantillon : un état d’équilibre des contraintes et des déformations est alors créé dans l’échantillon du fait que plusieurs réflexions d’ondes élasto-plastiques se produisent dans ce dernier.
Figure IV.41. Passage de l’onde incidente à une onde transmise et une onde réfléchie au contact de l’échantillon.
Les jauges de déformations sont placées à distance égale de l’échantillon sur la barre incidente et la barre de sortie : l’hypothèse de propagation unidimensionnelle permet de relier les déformations mesurées aux contraintes et aux vitesses particulaires associées : en supposant que ces grandeurs sont constantes dans l’échantillon, on en déduit les forces et déplacements aux interfaces barres/échantillon. De plus l’homogénéité des forces et des déplacements dans l’échantillon permet d’évaluer le comportement moyen du matériau.
La longueur de la barre de pré-contrainte dépend de la plus petite vitesse de déformation utilisée. Celle-ci a été calibrée sur les essais en traction, et on a choisi : E&min=200s
-1. Soit
moy
E& la vitesse moyenne de déformation, Efrac la déformation de fracture et T la période de
l’onde élastique, on alors :
T E E&moy = frac ,
moy frac E E T & = . (IV-61)
Co étant la vitesse de propagation d’onde élastique dans la barre (5.106mm.s-1), on en
déduit en notant L la longueur de la barre de pré-contrainte :
ε
incidenteε
réfléchieε
transmiseBarre incidente Barre de sortie
0 C L 2 T = d’où : 6m 2 T C L= 0 ≈ . (IV-62)
On prend donc comme longueur totale de barre 15m se répartissant de la manière suivante : Longueur de la barre de pré-contrainte = 6m.
Longueur de la barre incidente = 3m. Longueur de la barre de sortie = 6m.
On peut maintenant calculer la vitesse maximale de déformation qui dépend de la limite élastique de l’acier Maraging : Rp0.2 = 1000MPa. La vitesse maximale des particules dans la
barre incidente est égale à (d est la densité de l’acier):
1 0 2 , 0 p part 12m.s dC R V = = − , (IV-63)
et la vitesse à l’extrémité de la barre incidente est égale à : Vext=24m.s-1. La longueur utile de
l’éprouvette de cisaillement étant notée l (1,5mm), on a puisque les vitesses à l’extrémité des
barres incidente (Vext ) et de sortie (Vsort) sont égales:
l V lt sort max = = δ Γ& =16000s-1, (IV-64)
où δ est le déplacement de l’éprouvette. Ainsi, la gamme de vitesses de déformation en cisaillement s’étend en théorie de 200s-1 à 16000s-1. En pratique cependant, les vitesses de déformation en cisaillement ne dépasseront pas 5000s-1 pour ne pas détériorer le banc d’essai.