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Thèse Année : 2006

Ductile damage of metallic materials under dynamic loading – Application to spalling

Endommagement ductile des matériaux métalliques sous chargement dynamique - Application à l'écaillage

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Résumé

From many years, a very special attention is paid to dynamic fracture in the industrial (forming process, high-speed machining,...), as well as in the medical (laser shock surgery,...) or military (perforation, impact,...) sectors. Ductile fracture has been observed to result from the nucleation, growth and coalescence of voids. The aim of the present work is to develop a ductile damage model for metallic materials subjected to dynamic loading. The material domain is assumed initially free of voids and the nucleation stage is accounted for by a statistical description of potential nucleation sites. When the pressure overcomes a critical value at a given site, a void is appearing spontaneously and starts to grow by plastic deformation of the matrix material. After a preliminary study on different homogeneous schemes describing the macroscopic behaviour deduced from the local behaviour of all unit cells, a “same applied stress” type approach is adopted. It is shown that micro inertia effects are closely related to the damage heterogeneity within the material. It also appears of the utmost importance to take into account the effect of the porosity on the inertial contribution and on the loss of viscoplastic matrix resistive strength. Afterwards, the modelling is implemented in the finite element code ABAQUS/EXPLICIT. Numerical simulations of plate impact experiments are conducted and reveal a good accuracy with experimental data on tantalum material. The proposed work provides a better comprehensive of spalling phenomenon.
Les phénomènes dynamiques (grandes vitesses de sollicitations pour des temps de chargement très courts) suscitent, dans le monde de la recherche, une attention toute particulière aussi bien pour les applications industrielles (mise en forme, usinage à grande vitesse), médicales (intervention chirurgicale par choc laser) que militaires (perforation, impact). Le processus de rupture ductile se déroule en trois étapes : la nucléation, la croissance et la coalescence de vides. Le but de la thèse est de modéliser le comportement des matériaux métalliques ductiles soumis à un chargement dynamique.
Les conditions de sollicitations suggèrent la prise en compte d'une population de défauts dans le matériau. Après une étude préliminaire sur différentes approches d'homogénéisation établissant le lien entre le comportement macroscopique et l'évolution individuelle des vides, le schéma micro-macro de type « même condition en contrainte» est adopté. Il est alors montré que dans ce cas, et pour un comportement viscoplastique, l'hétérogénéité de l'endommagement est étroitement liée aux effets inertiels.
Dans un deuxième temps, le matériau est supposé initialement sain. L'étape de nucléation est prise en compte via la notion de sites potentiels de nucléation. Lorsque la pression appliquée atteint une valeur critique pour un site potentiel donné, un vide apparaît spontanément et commence à croître par déformation plastique de la matrice. Nous adoptons une approche statistique de la distribution des pressions de cavitation dans le matériau. Il est alors mis en évidence, dans la construction d'un nouveau modèle d'endommagement, la nécessité de tenir compte des effets de la porosité sur l'influence micro-inertielle et sur la chute de résistance de la matrice viscoplastique.
Le modèle de nucléation et croissance de vides est ensuite utilisé afin de construire un modèle complet élasto-viscoplastique avec endommagement. Le comportement déviatorique est géré par une loi de plasticité classique de type Prandtl-Reuss tandis que la partie sphérique est gouvernée par la croissance des cavités avec effet micro-inertiel. Ce modèle d'endommagement est implanté dans le code de calculs par éléments finis ABAQUS/EXPLICIT, via un sous-programme utilisateur VUMAT. L'essai d'impact de plaques est simulé et les résultats obtenus révèlent une bonne concordance avec les résultats expérimentaux sur le Tantale issus de la littérature.
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Dates et versions

tel-00188759 , version 1 (19-11-2007)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00188759 , version 1

Citer

Christophe Czarnota. Endommagement ductile des matériaux métalliques sous chargement dynamique - Application à l'écaillage. Mécanique [physics.med-ph]. Université de Metz, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00188759⟩
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