Étude de la limite à rupture en traction de la glace par essai de
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22ème Congrès Français de Mécanique Lyon, 24 au 28 Août 2015 Étude de la limite à rupture en traction de la glace par essai de fendage N.LIONa , K.SOOBBARAYENb , M.BOURCIER c ,A.PHILIP d , A.COMBESCURE c a. LaMCoS, INSA de Lyon-CNRS UMR5259, [email protected] b. LaMCoS, INSA de Lyon-CNRS UMR5259, [email protected] c. Université Grenoble Alpes, LGGE, CNRS, BP 96, Grenoble 38041, France, [email protected] d. Université Grenoble Alpes, LGGE, CNRS, BP 96, Grenoble 38041, France, [email protected] e. LaMCoS, INSA de Lyon-CNRS UMR5259, [email protected] Résumé : Nous présentons dans ce travail le protocole et les résultats d’essais qui permettent d’obtenir la limite à rupture en traction de différents types de glace. Pour la gamme de vitesse de déformation considérée, la glace présente un comportement fragile. De plus le rapport entre la contrainte limite à rupture en compression et en traction est d’environ 10 d’après [2, 3]. Et ceci permet de réaliser des essais sur différents types de glace (columnaire axial, columnaire transverse, équiaxe, monocristalline), à une température et à une vitesse de déformation données. L’objectif principal est d’analyser l’influence de la microstructure sur les propriétés mécaniques de la glace. Ces essais sont réalisés dans le cadre du programme RAPID IMPAGREL associant le LGGE, le LAMCOS,la DGA et THIOT INGENIERIE. Abstract : This paper shows an experimental design to measure the ice tensile strength and the associated results for different type of ice. The brittle nature of ice and the compression strength/tensile strength ratio (which is approximately equal to 10 as shown by [2, 3]) are sufficient to performed brazilian tests. Experiments are conducted for different type of ice characterized by different microstructure (axial columnar, transverse columnar, single crystal and equiaxe) at fixed temperature and strain rate. Mots clefs : glace, essai de fendage, microstructure. 1 Introduction Une bonne connaissance du comportement mécanique de la glace permettra de modéliser de nombreux problèmes rencontrés par les communautés scientifique et industrielle. Parmi ces problèmes on citera trois problèmes d’impacts que sont les impacts de grêle sur les structures, les impacts de glace aéronautique sur les différentes parties d’un avion et enfin les impacts d’iceberg sur les coques de bateau. La 22ème Congrès Français de Mécanique Lyon, 24 au 28 Août 2015 glace est un matériau complexe présentant différentes microstructures et ses caractéristiques de rupture dépendent fortement de la vitesse de déformation. Les travaux sur la modélisation d’impact de glace sont de plus en plus nombreux. Pour poursuivre le développement des modèles, une meilleure connaissance des caractéristiques mécaniques est nécessaire. L’une des caractéristiques qui est recherchée actuellement est la contrainte limite à rupture en traction à différent régime de vitesse de déformation. La difficulté pour maintenir les échantillons de glace dans des mors rend les essais de traction simple quasiment impossibles. Cependant, du faite de la fragilité de ce matériau et de la grande différence qu’il existe entre les limites à rupture en traction et en compression (ratio d’environ 10), il est possible de réaliser des essais de fendage. L’objectif de cette étude est d’analyser la sensibilité de la contrainte limite à rupture en traction vis-à-vis de la microstructure. 2 Fabrication des échantillons Les essais portent donc sur quatre types de glace associés à trois microstructures distinctes : – glace columnaire avec la plus grande des dimensions des grains orientées selon l’axe du cylindre – glace columnaire avec la plus grande des dimensions des grains orientés perpendiculairement à l’axe du cylindre – glace équiaxe à grains fins (i.e. millimétriques) – glace monocristalline avec la direction de l’axe C dans l’axe du cylindre Les blocs de glaces sont fabriqués au LGGE avant d’être découpés en morceaux puis usinés sur un tour en chambre froide afin d’obtenir des cylindres de diamètre 30 mm. Dans le cas des essais brésiliens, les extrémités du cylindre ne nécessitent pas un usinage précis, une simple découpe à la scie a été réalisée pour obtenir des échantillons de longueur 30 mm. Les dimensions des échantillons ont été déterminées grâce à une campagne d’essais préliminaires. Sur la Figure 1, on peut voir une illustration de l’orientation des grains de glace columnaire. La glace de type columnaire axiale est représentée par le cylindre A et la transverse par le cylindre B. (a) (b) Figure 1 – Schémas des deux types de glace columnaire. (a) grains columnaires dans le bloc de départ (b) glace columnaire axiale (A) et transverse (B). 22ème Congrès Français de Mécanique 3 Lyon, 24 au 28 Août 2015 Essai de fendage 3.1 Théorie Un essai de fendage consiste à appliquer des efforts sur des génératrices diamétralement opposées d’un cylindre. En se servant de la théorie de Hertz on peut trouver la solution analytique de la répartition des contraintes dans le cylindre. On remarque notamment qu’au centre de l’éprouvette, l’échantillon subit des contraintes de traction et de compression pures telles que : F – la contrainte de traction σx = πhR , – la contrainte de compression σy = −3∗F πhR , où R est le rayon, h la hauteur du cylindre et F la force appliquée. Enfin la forte différence entre les limites à rupture permet d’observer une rupture en traction suivant le plan contenant les lignes de contact entre les plateaux et l’échantillon (voir Figure 2). Figure 2 – Schéma d’un essai brésilien 3.2 Montage Les essais de fendage sont réalisés à l’aide d’une presse Zwick 100 kN sur laquelle la vitesse d’avancée de la traverse est pilotée (vitesse maximale 500 mm/min). Une enceinte climatique est montée sur la presse afin de maintenir les échantillons à la température sélectionnée. Une caméra est calibrée afin d’observer la rupture de la glace avec une fréquence d’acquisition de 12 images par seconde. Une illustration du montage est proposée sur la Figure 3. La carte d’acquisition permet d’enregistrer de manière synchrone les images, la force et le déplacement de la traverse. Ceci permet d’une part de mesurer l’effort à rupture et d’identifier les phénomènes d’endommagement (i.e. fissures intermédiaires). Les essais sont conduits de la façon suivante : 1. approche de la traverse, 2. mise en contact entre la plaque supérieure et le cylindre de glace, 3. application de la vitesse d’essai de la traverse jusqu’à rupture. La vitesse de déformation est fixée à 10−3 s−1 et la température à −10 ◦ C, afin de pouvoir comparer ces premiers résultats à ceux de référence [3]. 22ème Congrès Français de Mécanique Lyon, 24 au 28 Août 2015 Figure 3 – Illustration du montage expérimental associé aux essais brésiliens. 4 Résultats et Conclusion Une analyse statistique de la contrainte limite à rupture en traction montre que les résultats sont similaires pour les trois types d’échantillons polycristallins avec une contrainte à rupture en traction moyenne de l’ordre de 0.5 MPa, ce qui est en accord avec [1, 3]. En revanche, les écarts types sont importants ce qui témoigne de la grande disparité des valeurs obtenues par type de glace. En effet, la déviation standard est de 39 % pour la glace columnaire axiale et de 12% pour la transverse. Ces disparités s’expliquent en partie par l’importante taille des grains par rapport à la taille des échantillons. En ce qui concerne les échantillons testés de glace équiaxe, la valeur obtenue semble également cohérente avec [1, 2]. En revanche on remarque que la glace monocristalline a une limite à rupture bien plus élevée que les autres échantillons, ce qui tend à prouver qu’il existe bien un effet de la microstructure sur la réponse macroscopique. Cela montre également que ce type d’essai engendre des écarts types trop importants pour différentier clairement chaque type de glace polycristalline. Puisque cette méthode de mesure de la contrainte limite à rupture en traction fonctionne, la suite de l’étude portera sur l’influence de la température et de la vitesse de déformation. Afin de compléter l’étude avec des vitesses de déformation plus élevées, des systèmes de type barres d’Hopkinson ou puits de chute sont envisagés. Références [1] COLE, David M. The microstructure of ice and its influence on mechanical properties. Engineering Fracture Mechanics, 2001, vol. 68, no 17, p. 1797-1822. [2] MOHAMED, A. M. A. et FARZANEH, M. An experimental study on the tensile properties of atmospheric ice. Cold regions science and technology, 2011, vol. 68, no 3, p. 91-98. [3] SCHULSON, Erland M. B rittle failure of ice. Engineering Fracture Mechanics, 2001, vol. 68, no 17, p. 1839-1887. [4] SHAZLY, Mostafa, PRAKASH, Vikas, et LERCH, Bradley A. High-strain-rate compression testing of ice. 2006.
