Characterization of the thermomechanical behaviour of metals for high strain-rates, using ultra-high speed imaging cameras
Caractérisation thermomécanique du comportement dynamique des métaux via mesures de champs ultra-rapides
Résumé
To this date, the experimental and analytical strategies allowing to characterize the visco-thermomechanical behaviour of materials subjected to extreme and complex loadings are limited. In this context, this thesis proposes to develop an innovative strategy combining heterogeneous tests, full-field measurements at ultra-high speed and a non-parametric stress field reconstruction method.
The work of this thesis relies on the joint use of an ultra-high speed camera (Cordin-580) and a high speed infrared camera (Telops M3K), which present to date the best spatio-temporal resolutions of the market, to capture the thermomechanical fields during a heterogeneous test. To do so, dedicated methods allowing to measure with a high spatial sampling strains (uncertainty of 2 mm/m) and temperatures (uncertainty of 0.3 °C) for high acquisition speeds are developed.
An experimental campaign allowing to cover large ranges of strain, strain-rate, temperature and triaxiality in a single test, while ensuring their measurability is then designed.
Finally, the proposed test is analysed with an original method of stress field reconstruction which allows to characterize in a single test the visco-plastic response of a steel over a range of strain-rate from 10 per second to 500 per second with uncertainties of 10%, while providing loading paths that partially cover the shear and compression response.
The combined evaluation of temperature and stress fields allow the local evaluation of energy, which will likely allow in the near future thermodynamically based models to be established using a reduced number of tests.
A ce jour, les moyens expérimentaux et d'analyses permettant de caractériser le comportement visco-thermo-mécanique de matériaux soumis à des chargements extrêmes et complexes sont limités. Dans ce contexte, cette thèse propose de développer une stratégie originale alliant essais hétérogènes, mesure de champs ultra-rapide et reconstruction non-paramétrique de champs de contrainte.
Les travaux de cette thèse reposent sur l'utilisation conjointe d'une caméra ultra-rapide (Cordin-580) et d'une caméra rapide infrarouge (Telops M3K), qui présentent à ce jour les meilleurs résolutions spatio-temporelles sur le marché, pour capturer les champs thermomécaniques au cours d'essais hétérogènes. Pour ce faire, des méthodes spécifiques sont développées afin d'évaluer avec une grande résolution spatiale les déformations (incertitude de 2 mm/m) et les températures (incertitude de 0.3 °C) pour de grandes vitesses d’acquisition.
Une campagne expérimentale permettant de couvrir de larges gammes de déformation, vitesse de déformation, température ainsi que triaxialité en un seul essai, tout en s'assurant de leur mesurabilité est ensuite dimensionnée.
Au final, l'essai proposé est analysé avec une méthode originale de reconstruction des champs de contrainte qui permet de caractériser en un seul essai la réponse visco-plastique d'un acier sur une plage de vitesse allant de 10 par seconde à 500 par seconde avec des incertitudes de 10%, tout en offrant des régimes de chargements qui sondent en partie la réponse au cisaillement et à la compression.
L'évaluation conjointe de la température et des contraintes permet in fine l'évaluation locale de l'énergie qui permettra, à terme, d'établir en une poignée d'essai des modèles thermomecaniquement fondés.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)