ÉTUDE DU CISAILLEMENT ADIABATIQUE DANS LES ACIERS À BLINDAGE SOUMIS À DES TIRS DE PERFORATION

(1)

HAL Id: jpa-00224770

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ÉTUDE DU CISAILLEMENT ADIABATIQUE DANS

LES ACIERS À BLINDAGE SOUMIS À DES TIRS DE

PERFORATION

L. Sangoy, J. Moureaud

To cite this version:

L. Sangoy, J. Moureaud. ÉTUDE DU CISAILLEMENT ADIABATIQUE DANS LES ACIERS À

BLINDAGE SOUMIS À DES TIRS DE PERFORATION. Journal de Physique Colloques, 1985, 46

(C5), pp.C5-307-C5-314. �10.1051/jphyscol:1985539�. �jpa-00224770�

(2)

JOURNAL

DE

PHYSIQUE

Colloque C5, supplément au n08, Tome 46, aoQt 1985 page C5-307

ÉTUDE DU CISAILLEMENT ADIABATIQUE DANS LES ACIERS

À

BLINDAGE SOUMIS

À

DES TIRS DE PERFORATION

L. Sangoy et J. ~oureaud*

Creusot-Loire Industrie, Centre de Recherches des Matériaux du Creusot,

71208 Le Creusot, France

*Creusot-Loire Industrie, Creusot-Marrez, 71208 Le Creusot, France

Résumé

-

L'objet de l'étude est la meilleure connaissance métallurgique du cisaillement adiabatique qui apparaît sur les aciers à blindage lors de leur perforation par des projectiles classiques. On étudie plus précisément la ré- partition géométrique des bandes de cisaillement adiabatique, leur structure métallographique et cristallographique, certaines de leurs propriétés physi- ques et leur influence sur les ruptures des blindages.

Abstract

-

The goal of this study is to achieve a better metallurgical under- standing of the adiabatic shear phenomenon that arrnor steels exhibit when perforated by comrnon projectiles. Attention will be given to the geometrical distribution of adiabatic shear bands, to their metallographic and cristal- lographic structure as well as to some of their physical properties and influence on armor steel fractures.

1

-

INTRODUCTION

Au cours de la pénétration d'un projectile dans un blindage en acier, celui-ci est soumis à des déformations extrêmement rapides ( t = 104 à 105) s-1 [l] et à des contraintes très élevées dont la nature dépend en partie des caractéristiques métal- lurgiques des matériaux à blindage.

Parmi les dommages constatés, il en est un qui a une grande importance sur le com- portement au tir d'un blindage : il s'agit du cisaillement adiabatique dont l'appa- rition contribue à une chute sensible de la résistance à la perforation et qui se manifeste surtout sur les aciers à haute résistance[2].

La présente étude a pour objectif une meilleure connaissance des effets et de la nature du cisaillement adiabatique dans les aciers à blindage.

II

-

ACIER ETUDIE ET METHODES EXPERIMENTALES

Les examens réalisés ont été effectués- sur un acier à blindage martensitique dont l'analyse chimique est portée dans le tableau 1.

Tableau 1

-

Composition chimique de l'acier étudig (en % pondéral)

1

C

1

S i 1 M n 1 N i l C r 1 M o l V

1 l

I

l

I

l

I

-

I

1

28 CND 8

1

0,280

1

0,280

1

0,540

1

1,81

1

2.14

1

0,54

1

0,056

1 I

I

-

I

L'acier a été étudié à l'état trempé. Pour pouvoir étudier l'influence des caracté- ristiques mécaniques, des revenus à différentes températures ont été réalisés (voir figure 3).

Des essais de tirs à la balle de 12,7 mm perforante (projectile en acier dur) ont été effectués sur cet acier, sur des cibles d'épaisseur 20 mm ; la vitesse du projectile à l'impact varie de 500 m/s à environ 900 m/s.

Pour analyser l'endommagement causé par le projectile qui pénètre et perfore le blindage nous avons réalisé des examens micrographiques sur plans polis, sur des coupes au droit d'impact. Ces examens ont permis d'étudier plus précisément le cisaillement adiabatique que l'on a rencontré à proximité des impacts.

(3)

III

-

RESULTATS DES EXAMENS

111.1

-

Aspect géométrique des surfaces de cisaillement adiabatique

Sur plan poli et attaqué, le cisaillement adiabatique apparaît sous forme de lignes blanches, de quelques dizaines de micromètres de large, et qui sont en fait les tra- ces, dans le plan, des surfaces de cisaillement (figure 1).

La figure 2 donne une représentation schématique dans l'espace des surfaces de cisaillement adiabatique déduite des relevés dans différents plans de coupes. En pa- rallèle à'ces représentations, on montre le modèle théorique des répartitions des contraintes dans chacun des cas étudiés [ 3

1

[4

1.

L'analogie qui existe entre ces surfaces et le modèle théorique en particulier sur les figures 2a et 2b apparaît clairement.

Ceci indique que le cisaillement adiabatique est localisé dans les zones de contraintes de cisaillement maximal induites par la pénétration du projectile dans le blindage.

111.2

-

Nature métallurgique des bandes de cisaillement adiabatique 111.2.1 - Mesure de la dureté dans les bandes

Les résultats des mesures de microdureté des bandes blanches, effectuées sur les é-

chantillons issus de cibles ayant subi différents revenus, sont représentés graphi- quement en fonction de la température de revenu de l'acier dans la figure no 3 : On constate :

a) que la dureté des bandes de cisaillement est supérieure à celle du métal de base, quelle que soit la température de revenu de la cible ;

b) que la dureté de ces bandes est indépendante de celle du métal de base. 111.2.2

-

Examens micrographiques

La structure micrographique n'est pas visible à l'intérieur des bandes blanches au microscope optique.

Sur les micrographies de la figure 4, on constate que les bandes s'amincissent pro- gressivement en partant de la zone où elles prennent naissance jusqu'à leur extrémi- té.

Le cisaillement peut s'initier adiabatiquement et se terminer en cisaillement clas- sique, bien que la déformation soit alors parfois aussi importante que celle engen- drée par le cisaillement adiabatique.

Des fissures sont souvent associées aux bandes blanches. On peut distinguer plusieurs types de fissures :

.

fissures dans les bandes inclinées par rapport à la direction de cisaillement (figure no 5) ;

.

fissures oblongues en chapelet (figure no 6) ;

.

cavités localisées à l'intersection de plusieurs surfaces de cisaillement. Les examens au microscope électronique à transmission réalisés sur un échantillon à

structure martensitique fortement revenue ont permis de constater qu'il y a mise en solution complète des carbures à l'intérieur des bandes de cisaillement adiaba- tique (figure 7). Les bandes sont constituées de grains difficiles à discerner, extrêmement fins (de l'ordre de 0,2 à 0,4 pm).

(4)

111.2.3

-

Examens à la microsonde

Des balayages à la microsonde à travers les bandes de cisaillement adiabatique in- diquent qu'il n'y a pas de diffusion au niveau des bandes blanches.

111.2.4

-

Examens radiocristallographiques

Pour connaître la nature cristallographique du métal constitutant la bande de cisaillement adiabatique, nous avons réalisé des examens radiocristallographiques sur une surface de rupture par cisaillement adiabatique. Les diagrammes de diffraction ont montré que le métal a la même structure cristallographique que le métal de base, c'est-à-dire martensitique. Seul l'élargissement du pic de diffraction provoqué par l'écrouissage et les tensions internes dans les bandes est visible (figure 8).

111.2.5 - Microfractographies des surfaces de rupture par cisaillement adiabatique

Les examens au microscope électronique à balayage sur une surface de rupture par cisaillement adiabatique révèlent l'existence de deux faciès de rupture très diffé- rents souvent rencontrés [ 5 ] [6] (figure 9).

a) Une zone à très fines cupules allongées dans la direction du cisaillement. b) Des surfaces très lisses présentant des stries faisant penser à un glissement de deux surfaces l'une sur l'autre.

Sur toutes les surfaces examinées, nous n'avons pas noté la présence d'inclusions ayant pu jouer un rôle dans l'initiation ou la propagation de la rupture.

IV

-

DISCUSSIONS ET INTERPRETATIONS

Il est possible, à partir des différents essais et examens réalisés de préciser cer- taints points concernant le mécanisme de cisaillement adiabatique.

Celui-ci apparaît dans des surfaces correspondant aux zones de contraintes de cisaillement maximal et ne semble pas être influencé par la présence d'inclusions d'oxydes ou de sulfures.

Le cycle thermique engendré par le phénomène de cisaillement adiabatique dans un

acier martensitique revenu peut-être décrit de la manière suivante :

a) le métal dans les zones de cisaillement s'échauffe très rapidement jusqu'à une température telle qu'il y a austénitisation et mise en solution complète des carbures.

Comme pour un traitement thermomécanique, la déformation plastique perniet d'affiner le grain austénitique ce qui permet d'expliquer la structure à grains très fins ob- servée dans les bandes blanches.

b) Le temps de maintien à température d'austénitisation est pratiquement nul puisque dès que la déformation plastique cesse, le refroidissement commence.

C) Le refroidissement conduisant à la transformation martensitique est extrême- ment rapide. Un calcul à l'aide d'un modèle utilisé notamment dans les soudures FE

[7], indique que la vitesse de refroidissement dans une bande de cisaillement a- diabatique est de l'ordre de 6 . 1 0 ~ ~ ~ ~ / h à 700°C.

Cette très grande vitesse de refroidissement est vraisemblablement responsable

-

au moins en partie

-

des duretés élevées des bandes blanches.

(5)

C5-310 JOURNAL DE PHYSIQUE

Les ruptures ou fissurations observées à l'intérieur de ces bandes se produisent au cours du cisaillement, donc à haute température.

Ces ruptures seraient provoquées le plus souvent par la juxtaposition des contraintes de cisaillement et de contraintes de tensions perpendiculaires aux surfaces de cisaillement. Ces contraintes de tensions pourraient être dues à la réflexion des ondes de choc sur la surface libre de la cible et provoqueraient des fissures oblongues disposées en chapelet qui sont souvent observées à l'intérieur des bandes blanches.

Lorsque les ruptures se propagent sous l'effet des contraintes de cisaillement pur, la rupture prend un faciès lisse et à stries très allongées.

V

-

CONCLUSIONS

Cette étude a permis de mieux connaître un des dommages provoqués par l'impact d'un projectile sur un blindage en acier martensitique : le cisaillement adiabatique. Le cisaillement adiabatique se produit dans les zones de contraintes de cisaillement maximal. Il se présente dans les aciers étudiés sous forme de bandes claires. Sa structure martensitique résulte d'un cycle thermique comprenant un échauffement local rapide jusqu'à une température d'austénitisation et d'un refroidissement violent. Des fissurations et des ruptures sont souvent associées au cisaillement adiabatique ce qui provoque en'général une baisse de la résistance à la perforation des aciers à blindage.

REFERENCES

[l] Zukas

-

"Penetration and perforation of solids" Impact dynamics pp 155-215

Wiley Interscience

-

1982

[2] Manganello-Abbott

-

"Metallurgical factors affecting the ballistic behaviour of steel targets".

J. of materials, 7-231, 1972.

[3] Backman

-

Finnegan

-

"The propagation of adiabatic shear" Metallurgical Society of AIME - Plenum Press, Londres 1973.

[ U ] Rolsten

-

Lairmore

-

"Shear

-

stress trajectoires produced by ballistic

impact".

J. of Applied Physics, Vol. 47,

NO,

March 1976.

[5] Wingrove

-

"The influence of projectile geometry on adiabatic shear and target failure"

Metallurgical transactions, Vol. 4, Aug. 1973.

[6] Stock Thompson - "Penetration of aluminium alloys by projectiles". Met. Trans., 1, 1970, pp. 219

-

224.

[7] Dann

-

Passoja

-

"Heat flow in EBW"

(6)

Fig. 1

-

Aspect du cisaillement adiabatique au droit d'un impact Aspect of adiabatic shear bands along an impact

ASPECT BEOMETRIQUE DES SURFACES

DE CISAILLEMENT ADIABATIQUE MECANISME OE C I S A I U E M N T Sena d e p6nétlation

----Y

i

t II I b

Sens de pénétration I/

- , - surrace de ~ i ~ . i l l ~

nmèie t h k r i q u e aes lignes de gli: senent dans deux p l a n i l m r r e i ~ -

a dant _maximal.aux cintrnlaten de eisnlllanei

sen* d e pénétration

Fig. 2

-

Représentation dans l'espace du cisaillement adiabatique Spatial configuration of adiabatic shear

(7)

C5-312 JOURNAL DE PHYSIQUE

4

Duretés Vickers

,O0 Bande de cisaillement

adiabatique 8 0 0 { - -

- -

-

- - -

L.

_0- O 100 Température de revenu des cibles

b

400 460 500 &O 6b0

Fig. 3

-

Dureté dans les bandes de cisaillement adiabatique et dans le métal de base Hardness in adiabatic shear bands and in base metal

Fig. 4

-

Bande de cisaillement adiabatique Adiabatic shear band

(8)

F i g . 5 - F i s s u r e s i n c l i n e e s dans une bande d e c i s a i l l e r n e n t a d i a b a t i q u e T i l t e d branched c r a c k s i n a a d i a - b a t i c s h e a r band Bande de c i s a i l l e r n e n t a d i a b a t i que F i g . 6 - F I s s u r e oblongue e n c h a p e l e t s Oblong c r a c k s s t r i n g e r s d e c a r b u r e s

(9)

C5-314 JOURNAL DE PHYSIQUE

Fig. 8

-

Diagramme de diffraction du métal de base (8a) et dàns une bande de cisaillement adiabatique (8b)

-

Diffraction diagramm of base metal (8a) and in a band (8b)

-

(211)a plan

Zone lisse 8a Métal de base 1

-

= 0,67 h Cisaillement adiabatique du métal

-

plan (211)a adiabatic shear Zone à cupules /

Fig. 9 - Microfractographie d'une rupture par cisaillement adiabatique Microfractography of a adiabatic shear fracture