INFLUENCE DU CHOC RÉPÉTÉ SUR LE COMPORTEMENT EN COMPRESSION ET TRACTION DYNAMIQUE DE L'ACIER XC18

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INFLUENCE DU CHOC RÉPÉTÉ SUR LE COMPORTEMENT EN COMPRESSION ET TRACTION DYNAMIQUE DE L’ACIER XC18

M. Dannawi, H. Mananjara, C. Chiem

To cite this version:

M. Dannawi, H. Mananjara, C. Chiem. INFLUENCE DU CHOC RÉPÉTÉ SUR LE COMPORTE-

MENT EN COMPRESSION ET TRACTION DYNAMIQUE DE L’ACIER XC18. Journal de

Physique Colloques, 1985, 46 (C5), pp.C5-445-C5-454. �10.1051/jphyscol:1985555�. �jpa-00224787�

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C5, supplbment au n08, Tome 46, aoDt 1985 page C5-445

I N F L U E N C E DU CHOC R E P ~ T E SUR L E COMPORTEMENT EN COMPRESSION E T T R A C T I O N DYNAMIQUE DE L'ACIER x c 1 8

M. Dannawi, H.P. Mananjara et C.Y. Chiem

Groupe DYNAMAST', EcoZe NationaZe Supe'rieure de Mgcanique, 1 rue de Za NoZ, 44072 Nantes Cedex, France

Rdsumd - L'influence du choc rdpdtd sur le comportement plastique de l'acier XC18S en compression et traction dynamique a St6 Studide, oii on montre l'svo- lution de la loi de comportement

f(~)) en fonction du nombre de chocs.

Le r6arrangement des dislocations ddpend du temps entre deux chocs et agit sur la valeur du coefficient de sensibilits de la contrainte B la vitesse de d6formation ainsi que sur la valeur du saut de contrainte Ao.

Abstract - The plastic behaviour of the mild steel (XCl8S) have been studied in compression or tensile repetitive shocks. The stress-strain relation,

[ o

f(&)], was discussed as a function of time and the number of shocks. The

duration between two shots yields some effects on the dislocation arrangement.

This changes the strain-rate sensitivity of the materials and also the value of stress increment Aa after the previous shocks.

I - INTRODUCTION

Beaucoup de travaux tels que : formage, fatigue par chocs rdpdtds, s'effectuent par incrdment de ddformation avec un temps trbs court entre deux dtapes de ddformations pendant lesquelles un rdarrangement microstructural peut arriver et qui influence le niveau de la limite 6lastique. I1 est donc ndcessaire de connaitre les caractdristi- ques critiques sous conditions de ddformations rdpdtdes. Les variables sont le taux de ddformation, la temperature et le temps entre deux Stapes.

Plusieurs investigations ont 6t6 effectudes en utilisant des techniques varides de l'incrdment de ddformation pour dtudier le processus de restauration.

La torsion utilisde par ROSSARD et BLAIN (1962 [I]), VAUGHAN (1968 [2]), FARAG et al. (1968 [3]), WEISS et al. (1973 [4]), NOILSCHUTZ et ROHLOFF (1976 [5]), FULOP et al. (1977 [6]), a permis d'aborder 1'6tude de ces problsmes. D'autres investigations, utilisant des plastombres B deux dtages de compression, ont dtd effectudes par EVANS et DUSTAN (1971 [7]). Rdcernment, un nouveau systsme informatis6 1 base d'une machine d'essais hydraulique a Qtd utilisd par KASPAR et PAWELSKI (1978 [81). J.B. HAWKYARD et P.H. LO (1977 [9]) opt 6tudid l'influence de l1incr6ment de dsformation B faible vitesse de ddformation E

1 2 1 0 s-1 et B faible taux de ddformation (quelques %).

Deux modsles existants peuvent approcher l'explication de ce phdnombne, ils sont dus S EVAN et DUNSTAN (1971 [71) et DJAIC et JONAS (1972 [lo]).

EVAN et DUNSTAN interprbtent ces rdsultats par l'utilisation d'une variable R ddter- min6e par :

R

(C - A)/(B - A) x 100

A, B et C sont des valeurs calculdes sur la courbe a

f(&).

Si ces modbles donnent une approche des rdsultats d'expdrimentation, ils restent assez dloignds de l'interprdtation globale du comportement en incrdment de ddformation, cela laisse le problbme de l'influence de la vitesse de ddformation, de la temperature et de l'dvolution de la microstructure en chocs rdpdtds lents ou rapides ouverts aux fu- tures approches par modSle empirique ou mathdmatique.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1985555

C5-446 JOURNAL DE PHYSIQUE

LA ROUCHE et MIKKOLA [ll] affirment que la duretd ne cro?t qu'avec l'intensitd de contrainte appliqude, elle reste inddpendante de la durde de l'essai de choc. Paral- lslement, B. KAZMI et K.E. MURR El21 constatent quesurdes essais effectugs surl'acier inoxydable au nickel que la taille des grains n'est pas altdrde par les chocs rdpdtgs, mais que lacontrainte suit cependantlarelation dite deHALLetPETCH,ddfinie par :

5' =

contrainte de frottement , ^K

constante de Petch , D

diamztre initial des grains.

PIRONNEAU~ [I31 a dtudid par un dispositif spdcial l'influence globale du choc r8pdt6 sur les paramstres mesurables en traction dynamique. I1 conclut que, dans le cas de mo- nocristaux d'alliage A1-Cu 3 4% de cuivre, les glissements se font suivant le plan (111) le plus dense. Les lignes de glissement sont bien r6gulilres et prdsentent peu ou pas de glissement transverse. Cependant, un peu avant la rupture, elles deviennent irrdgulilres et, dans certaines zones, plus perturbdes.

I1 faut aussi noter que des travaux avec incrdment de ddformation et variation de vitesse de ddformation en torsion ou cisaillement ontdt6 faits par CAMPBELL et a1.[14], DUFFY et al. [15] et la mise en dvidence de l'dvolution microstructurale par observa- tions en microscopic dlectronique 2 transmission a dtd faite par CHIEM et al. [16].

Les travaux rBcents effectuss 1 Nantes par le Groupe de Plasticitd Dynamique et la mise au point des systlmes d1exp8rimentation par DANNAWI El71 ont permis la possibi- lit6 de poursuivre ces travaux en chocs rgpdtds

des vitesses de ddformation moyenne

6 < 3.103 s-9, afin de visualiser sur les courbes

f (E) l'influence du choc rd- pdtd en compression et traction dynamiques d'un acier XC18 et dlQtudier par la suite l'influence des paramstres tels que le niveau de contrainte, la dur6e du choc, le nombre de chocs et le temps entre cho'cs sur ce comportement.

I1 - CARACTERISATION EN COMPRESSION ET TRACTION DYNAMTQUE DE L'ACIER XC18S

Fig.1 -

^f(&) en traction statique Fig. 2 - ^o

£(E) en compression et (dchantillon tubulaire et plein) traction dynamique i # ^{800 s-I} et dynamique ( E # 800 s-1)

Les travaux ont Qtd effectuds sur un acier XC18S; les figures I et 2 donnent les caractdrisations de cet acier en compression et traction dynamique effectudes sur un dispositif 2 barres de Hopkinson [17].

111 - COMF'ORTEMENT EN CHOCS REPETES

La mdthodologie consiste B observer le comportement de l'acier XC18S en fonction du

nombre de chocs et du temps entre deux chocs. Cela a ndcessitd la mise au point d'un

systsme 1 deux chocs identiques [la] espacds de quelques microsecondes pour observer

l'influence sur le comportement global du niatdriau du retour 2 zdro de l'onde trans-

mise.

111.1 - Cas de la traction dynagigug

Les figures 3, 4, 5 montrent l'influence du nombre de chocs sur le comportement glo- bal de cet acier ainsi que la variation de la ddformation et de la duretd en fonction du nombre de chocs.

Fig.3 - Evolution de

f(&) en fonction Fig.4 - Variation de

en fonction du Nombre de chocs N. du Nombre de chocs N.

Fig.5 - Variation de la duretd en Fig.6 - Comportement en mono-coup et

fonction de R. deux coups simultands.

La figure 6 montre que si les deux coups sont simultands le comportement est le mdme qu'en mono-coup [dnergie incidente identique ; temps dtapplication de l'effort iden- tiquel. La ddformation au cours de chocs reste P peu prSs constante pour un niveau de contrainte incidente donn6. La vitesse de ddformation reste dgalement constante tandis que la ddformation totale est proportionnelle au nombre de chocs. La duretd de l'dchantillon crott avec le nombre de chocs bien que cet accroissement reste lent

(fig.5). Une vdrification de l'effet mdmoire en ddformation et en dnergie de d6for- mation a 6td effectude.

L'arrCt Be la compression pour une durde > 5 mn nous permet de constater que lorsqte

le choc suivant arrive,une augmentation de la contrainte se manifeste (fig.7). Ce

saut A 0 n'existe pas si les deux chocs sont simultands (fig.10). Ce phdnomsne de Aa

existe pour des chocs rdpdtgs jusqu'i une limite de contrainte de 950 MPa environ.

JOURNAL DE PHYSIQUE

Fig.7 - Evolution de a

f(~) en fonction Fig.8 - Evolution de la ddformation du nombre de chocs. instantande et totale en

fonction de N.

' I l A l l W I LL m m -roo

a%, .. -!SW UllllULl E l l

~ ~ n ~ t t m n I

rm ..

m ..

I)D

..

Fig.9 - Variation de la duretd en f onction .de N.

A partir de cette limite, la contrainte commence 1 chuter. Le point de fonction- nement sur cette barriPre se ddplace de gauche 3 droite dspendant seulement de la valeur de la premiPre ddformation.

I1 existe donc une zone de comportement entre le mono-coup

# 75X) et une li- mite minimale

.,2Z) correspondante 2 N

350 coups 05 a

f

de cet acier Evolue en fonction du niveau de la pre- niSre ddformation.

Le coefficient de sensibilitd de la con- trainte 1 la vitesse de ddformation B

50 MPa obtenu par chargement et

Fig.10 - Comportement en mono-choc et en deux chocs identiques simultands.

Fig. 1 I - Zone de comportement en chocs

r6p6tds de l'acier XC18.

dechargement dynamique ne v6rifiant pas ce saut Au, on Qtait amen6 3 introduire un autre coefficient B* # 200 MPa qui a permis d'btablir la correspondance numdrique entre les valeurs calculbes et nesurdes de AU :

IV - INTERPRETATION

IV.l - Cas de la traction On a vu pr6cbdemment, l'influence du choc rdp6td sur le comportement en trac- tion dynamique de l'acier XC18, l'in- fluence de diffdrents paramstres

le saut ndgatif, trSs ldger Au, l'effet

&moire ainsi que les variations de

? , ^W en fonction du nombre de chocs et de l'dnergie incidente. La seule remar- que compldmentaire 2 ajouter B cette Etude est l'influence de la premiPre ddfornation sur la limite de striction

(fig. 12).

IV.2 - Cas de la compression Contrairement 2 la traction beaucoup de parambtres influencent le comportement en chocs rdpdtbs de cet acier en com- pression dynamique : temps entre chocs, variation du coefficient R, influence de la premisre d6formation sur le com- portenent global, existence d'une limi- te supdrieure en contrainte, apparition des deux instabilitds (zone de cisail- lement)... l'analyse micrographique con- frontde aux rdsultats du comportement global a pernis de proposer une inter- prgtation des mdcanismes.

Les'ex~Qriences ont montrE aue la durde

Fig.12 - Influence du nombre de chocs sur la limite de striction.

I

t entre chocs influence dnorm6ment le

Fig.13 - Influence du temps entre chocs comportement global du matdriau. Lorsque sur le comportement en chocs t > 15 mn, les dislocations ont le temps

rdpdtds.

suffisant pour se rdarranqer en ancrage soit sur les impuretEs soit sur les

ticules des bldments d'addition de sorte que Mapparaissent B chaque choc successif.

Les figures 13 et 14 illustrent cette constatation.

La diff6rence 6,

6% - 6 = (200 - 50) MPa cit6e prQc6dement montre d'une fason quantitative l'influence du rearrangement des dislocations qui s'effectue entre deux chocs successifs espacds d'une p6riode suffisante pour que cette opdration se rda- lise.

L'expdrience a montr6 que, quelque soit la valeur de la premibre ddformation il

existe une limite supdrieure de la contrainte qu'on ne peut pas ddpasser :

JOURNAL DE PHYSIQUE

Fig.14 - Comportement en chocs rdpdtds de l'acier XClD en compression dynamique ; temps entre choc t < 5 mn ou t > 15 mn.

Cette valeur obtenue aprss un nonbre de chocs ddpendant de la valeur de la premisre ddformation constitue une limite h partir de laquelle il y a effondrement de la con- trainte si le nombre de chocs augmente (fig.7 et ll), cette valeur pourra correspon- dre Z llinstabilit& par cisaillenent aux frontisres libres de l'dchantillon due h la valeur maximale de la contrainte de cisaillement. Cette instabilitd est diffgrente de celle rencontrge en mono-choc oh l'action conjuguse de la compression et de la dilatation radiale peut amorcer des zones de cisaillement si le taux de ddformation ddpasse 45%.

Fig.15 - Localisation des deux types d'instabilitijls sur le comportement en compres- sion dynamique.

Ces deux types d'instabilitbvisibles sur la loi de comDortement (fig.15) sont baptisds instabilitgs type 1 et 2.

nn --

1H9TmIL1lE TIR 1 v.m. I pm $1

I="--

I---

-..

-.

-.

--

-, CelxnATIOH

:ffi :I !IS ! z :zi !a :3s :4

:u

:B

:m

.=

L'instabilitd type 1 nVagpara?t pas en chocs rdpetds si le temps entre choc est <5mn et si la premiSre deformation est faible (#5%). La figure 16 illustre cette consta- tation sur deux dchantillons dont l'un a resu un mono-coup avec une deformation fina- le de # 75% et l'autre a subi 24 chocs espacds d'un temps t < 5 mn avec un niveau de la premisre deformation #5%. L'examen micrographique de ces deux dchantillons (fig.17 et 18) montre l'existence des zones de cisaillement 12 oh l'instabilitd type2 est apparue sur le diagramme

f(~).

--

Fig. 16 - Comportement en mono-choc et en chocs rdpdtds espacds d'un temps < 5 an ; valeur de la premiere ddformation 5%.

cisaillement d6formation.

Fig. 17 - Bandes de dsformation sans cisaillement pour l'bchantillon n08 (24 chocs

espacds de t < 5 mn avec une valeur de la ISre ddformation # 5%).

JOURNAL DE PHYSIQUE

Fig. 18 - Bandes de ddformations et zone de cisaillement (instabilitd type 1) pour l'dchantillon n07 : mono-coup avec une ddformation finale # 75X.

La mesurepar notre m6thodologie spdciale 3e la valeur de la contrainte de cisail- lement maximale de cet acier (fig.19 et 20) a conduit 2 la valeur de :

T

# 500 m a . max

Bchantillon

\ / ^tube

barre zone de incidente cisaillement

Fig.19 - Montage pour 1'6tude du cisail- Fig.20 - Compression et cisaillement lement mono-axial. dynamique mono-axial de l'acier XC18

courbe

f

et T

f (y).

Si on prend le critsre de Von-Mises on s'aper~oit que la valeur critique correspon- dante en compression est de l'ordre de 950 MPa. C'est la limite observde pour l'ap- parition de l'instabilitd type 2 en chocs rdpdtds.

V - ^{LIMITE DE} FATIGUE PAR CHOCS REPETES - MODELISATION

Le lieu gdomdtrique des points (amab # 950 m a ) et qui se ddplacent sur la fig.]]

de gauche 1 droite en fonction du niveau de la premisre ddformation peut se mettre

sous la forme :

N

Nombre de chocs

Ocr

valeur maxinale de la dsformation lorsque la contrainte atteint la valeur critique 950 MPa.

A et B sont deux constantes.

Fig.21 - Variation de la deformation totale correspondant

b omax # ^{950 MPa en} fonction du nombre de chocs.

Influence de la ISre deformation sur le nombre de chocs nscessaires pour atteindre le lieu critique

# 950 MPa).

max

I1 est bien entendu que la premisre dsformation a une influence considgrable sur la valeur de cCr. Si on linearise les courbes E

f(N) (fig.21) on aura pour chaque droite une pente qui est fonction de

(valeur de la premisre dsformation) et si on reporte sur un graphique la variation ie ces pentes en fonction de la valeur de la prenisre dgformation on s7aperfoit que cette variation est lin6aire et est rsgie par la loi :

P

pente des droites e

f(N)

E, =

valeur de la premiSre dsformation

I1 est donc ais6, connaissant la valeur de de calculer la pente de la droite E

f(N) et de determiner le nombre de chocs critiques correspondant b

# 950 MPa (fig.21)

CONCLUSION

Ces rdsultats ont permis de conyrendre un peu plus le comportement en chocs r6pdtds en compression et traction dynamique de l'acier XC18. L'existence ou non du saut en contrainteAaapr2s chaque choc est conditionnge par le temps de rsarrangement des dislocations, paramstre important mis en Qvidence et estimB quantitativement par la variation du coefficient de sensibilite de la contrainte b la vitesse de deformation

6%

^{200 MPa} au lieu de 6

50 ?Pa

Cela prouve d'une f a ~ o n qualitative et quant'itative l'influence du choc sur la struc-

ture de cet acier. Le dynamique provoque des desarticulations de certaines forcts et

la mise en mouvement des dislocations qui, si le temps de repos entre choc n'est pas

C5 -45 4 JOURNAL DE PHYSIQUE

suffisant la structure reste perturbee et le deuxieme choc arrivant ne fait que con- tinuer l'action du premier; par contre si le temps entre deux chocs est suffisamment long (t > 15 mn), des dislocations s'ancrent autour des impuretes et provoquent un autre &tat dfQquilibre plus resistant que le premier, ce qui explique la valeur su- pgrieure de b .

La modelisation experimentale permet d'estimer, connaissant la valeur de la premiere deformation, la valeur N du nombre de chocs necessaires pour atteindre l'endommage- ment (ocr # ⁹⁵⁰ ma).

Les auteurs tiennent

remercier le Groupe 8 de la D.R.E.T. pour l'aide financibre apportde

cette etude. En outre, l'un des auteurs H.P. Mananjara est particuliere- ment reconnaissant aux discussions fructueuses qu'il a eu avec Madame le Professeur S. Offret, Directeur du Laboratoire des Sciences des Materiaux de la MQcanique

1'E.N.S.M. de NANTES et Monsieur J. R. KLEPACZKO, Professeur associe B 1'E.N.S.M. de NANTES .

REFERENCES

/ I/ Rossard, C.,.et Blain, P., Flat Rolled Product, Metal Soc-Conf., A.I.M.E.,2,16(1962) / 2/ Vaughan, T.B., Iron and Steel Inst. Soec. Rep. 108 (1968)

/ 3/ Farag, M.M., Sellars, C.M. et Tegart, W.J. Mc G., Iron and Steel 1nst.Spec.Rep.

108 (1968)

/ 4/ Weiss, A., Skinnen D.H. et Everitt J.R., J. Phys. E

Sci. Instrum. 6,709 (1973)

/ 5 / Neuschutz, E. et Rohloff, H., Stahl und Eisen 25/26, ^{~/303 (1976)}

/ 6/ Fulops, S., Cadison, K.C., Luton, M.J. et Mc Queen, H.J., A.S.T.M. J. of Testing and Evaluation, 5, 419 (1977)

/ 7/ Evans, R.W. et Dunstan, E.R., J. Inst. Metals, 99, ^{4 (1971)}

/

Kasper, R. ei Pawelski, O., Proc. 19th Int. M.T.D.R. Conf., p. 247:(Ed. Mc Millan, New York), (1978).

/ 9/ Hawkyard, J.B., Highton, C. et Lo, P.H., J. Mech. Working Technol. 1, 291 (1977) /lo/ Djaic,~.~.P. et Jonas, J.J., Iron Steel Inst. 210, 258 (1972)

/11/ La Rouche, S. et Mikkola, D.E., Scripta Metall., 2, 543 (1978)

/12/ Kazmi, B. et Murr, L.E., Shock Waves and High Strain-Rate Phenomena in Metals, pp. 733-753, Ed. Meyers, M.A. et Murr, L.E., Plenum, New York (1981)

/13/ Pironneau Y., Revue Fran~aise t de Mecanique, 76, pp. 25-32 (1980)

/14/ Campbell, J.D. et Briggs, T.L., J. of Less Common Metals, 40, 235 (1975)

/IS/ Duffy, J., Mechanical Properties at High Rates of Strain, pp. 1-15, Ed. Harding,J.

The Institute of Physics, London-Bristol (1979)

/16/ Chiem, C.Y. et Duffy,

Mater. Sci. and Engng., - 57, 233 (1983)

/17/ Dannawi, M. et Pironneau, Y , ! Proceeding of the 9th Canadian Congress of Applied Mechanics, CAN-CAM 1983, p. 333

/18/

Dannawi, M., Rapport de fin de contrat D.R.E.T.,

269/81 (1982)