Observations microstructurales

2.1 Observations microstructurales

Parmi les matériaux agrégataires les plus étudiés, on trouve les bétons, les roches quasi-fragiles et l’asphalte. La Figure 1 montre la microstructure du béton (Mehta & Monteiro, 2006). On observe clairement un taux de charge important, avec une dispersion aléatoire et relativement homogène des agrégats et de leur orientation dans la matrice. Aucune orientation privilégiée des charges n’apparaît, comme on peut par ailleurs le constater dans un matériau à fibres longues.

Figure 1. Section polie d'une éprouvette de béton (Mehta & Monteiro, 2006)

Hoxha et al. (Hoxha, et al., 2005) ont étudié la microfissuration du granite de Vienne. Initialement quasi-isotrope, une microfissuration fortement anisotrope se développe sous sollicitations mécaniques. Les densités des fissures et d’intersections de ces dernières augmentent avec la contrainte déviatorique. L’anisotropie qui en résulte est confirmée par des mesures de célérités d’ondes ultrasonores par Marigo (Marigo, 1980) et Berthaud (Berthaud, 1980). Deux mécanismes de fissuration sont présents : la propagation des fissures existantes et la nucléation, suivie de la croissance, de nouvelles fissures. L'influence des fissures naturelles sur le comportement global du granite n'est pas très importante, ce qui peut expliquer en partie le caractère isotrope des propriétés mécaniques globales initiales de ce matériau (Hoxha, et al., 2005). Zhao (Zhao, 1998) a étudié la microstructure, l’initiation, la croissance et la coalescence des fissures dans un marbre de Fangshan, en utilisant une éprouvette soumise à un chargement de compression uni-axiale. L’analyse des longueurs cumulées et du nombre de microfissures en fonction de leur orientation met en évidence une distribution non uniforme des microfissures, accentuée dans la direction transverse à la direction de sollicitation. Les roches quasi-fragiles présentent dans la plupart des cas une anisotropie induite par les sollicitations. Cette anisotropie peut être interprétée comme la conséquence d’une fissuration orientée (Renaud, 1998). Par

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ailleurs l’anisotropie peut également trouver son origine dans la géométrie des particules, leur distribution de taille et d’orientation au sein de la microstructure, ainsi que dans le processus de compaction.

Les matériaux énergétiques sont des explosifs à poudre polymérisé (Plastic-Bonded Explosive : PBX) très chargées par des cristaux explosifs (plus de 90%), mélangés à une très faible quantité de liant polymère. La Figure 2 montre la microstructure avant et après sollicitation mécanique d’un matériau énergétique chargé avec des cristaux HMX (octahydro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocine). Les particules, d’un faible rapport de forme, sont orientées aléatoirement dans le matériau et leur taille varie fortement (Benelfellah, 2013). Le procédé d’élaboration consiste à appliquer des cycles de compaction isostatique sur un mélange matrice/charge. L’analyse du matériau met en évidence que le fort confinement génère aux points de contact des "gros cristaux" entre eux des microfissures en leur sein. Lors d’un chargement mécanique ultérieur, ces défauts, considérés comme un pré-endommagement, peuvent se développer. L’endommagement trouve également son origine dans la décohésion charge-matrice ainsi que dans l’initiation et la propagation de fissures dans la matrice et les charges. Des dislocations sont aussi détectées dans les particules HMX, ainsi que des ruptures de grains induisant la formation d'un grand nombre de petits cristaux, notamment en compression (Ellis, et al., 2005). Les microfissures tendent à s’initier aux frontières des particules les plus larges et ce, souvent simultanément dans plusieurs sites indépendants (Chen, et al., 2006). Ces sites tendent ensuite à se regrouper pour former des fissures plus larges, jusqu’à conduire à la rupture complète du matériau (Palmer, et al., 1993) (Rae, et al., 2002a) (Rae, et al., 2002b). Picart et al. (Picart, et al., 2012) ont analysé l’évolution de la microstructure d’un PBX lors d’un essai de poinçonnement dynamique instrumenté d’un microscope optique situé proche du coin du poinçon. Ils ont observé l’apparition de nouvelles microfissures et de bandes de cisaillement au sein des grains ainsi que des décohésions entre les grains et la matrice (Figure 3). Les microfissures existantes s’ouvrent et se propagent alors que d’autres se ferment. Pour des vitesses plus élevées, essai de compression dynamique aux barres d’Hopkinson (Trumel, et al., 2010), une orientation privilégiée des fissures est plus nettement observable. Le réseau des fissures après essai présente une normale commune parallèle à la direction d’extension, ce qui laisse penser à une fissuration gouvernée par la déformation principale positive. Benelfellah (Benelfellah, 2013) considère qu’il en résulte une dégradation anisotrope des propriétés mécaniques du matériau pour les niveaux de déformation transversale très élevés atteints en dynamique, avant rupture.

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Néanmoins en régime quasi-statique le développement d’une telle orientation préférentielle des fissures est difficilement observable après essais (Benelfellah, 2013).

Pour des raisons de sécurité et d’économie, on peut être amené à substituer dans des investigations scientifiques, les matériaux énergétiques chargés avec des cristaux explosifs par des matériaux simulant chargés avec des cristaux inertes. La Figure 3 montre la microstructure initiale et endommagée par compression biaxiale (compression uni-axiale sans déplacement dans l’une des directions transversales) d’un matériau simulant (Bailly, et al.,

2011). Le matériau est chargé avec 29,3% de Sulfate de Baryum BaSO₄ et 65,2% de

mélamine. La microstructure montre le taux de charge très important en cristaux et un liant difficilement identifiable. Les cristaux de mélamine semblent non liés et éparpillés sur la surface. La forme des cristaux de Sulfate de Baryum n’est pas changée mais quelques cristaux sont cassés (Bailly, et al., 2011). Dans les régions avec une faible densité de liant, les cristaux supportent toutes les contraintes locales et se brisent en plusieurs morceaux.

Figure 2. Micrographie des microfissures avant (A) et après (B) le chargement dynamique (Picart, et al., 2012)

(a) (b)

Figure 3. Observation au MEB d’une microstructure d’un matériau simulant : (a) Microstructure initiale (200×200μm²). (b) Microstructure endommagée après une compression biaxiale (40×30 μm²) (Bailly, et al.,

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