Le terme « impact de plaques » correspond à la configuration standard de caractérisation du comportement des matériaux sous choc.
Les objectifs de l’impact de plaques
Il permet de déterminer :
- la limite élastique (appelée limite élastique d’Hugoniot) ;
- la limite à rupture (appelée limite d’écaillage) ;
- les points atteints sous choc qui forment la courbe d’Hugoniot ou adiabatique dynamique du matériau.
En quoi consiste un essai d’impact de plaques ?
Il consiste à projeter une plaque appelée impacteur contre une plaque fixe appelée cible, à une vitesse d’impact notée Vp. La mise en vitesse de l’impacteur est réalisée au moyen d’un lanceur de laboratoire en utilisant un sabot sur lequel est positionné cet impacteur. Cette configuration est caractérisée par un régime de déformation uniaxiale, tant que les ondes de détentes latérales ne viennent pas perturber l’écoulement uniaxial (comme illustré dans la figure ci-contre). Après l’impact, des ondes de compression uniaxiale sont générées dans l’impacteur et dans la cible conduisant un régime de déformation uniaxiale (zone hachurée). A la périphérie de ces deux éléments, des ondes de détente générées par l’interface avec le vide viennent perturber cet écoulement uniaxial par une déformation bidimensionnelle.
Les paramètres à prendre en compte pour assurer la qualité d’un essai d’impact de plaques
La qualité dépend de deux facteurs principaux : le niveau de vide à l’impact, et la planéité à l’impact.
Le vide avant impact doit être suffisamment bas pour éviter un coussin d’air parasite entre l’impacteur et la cible. Des valeurs de 10-3 mbar sont indiquées dans la littérature, mais des valeurs de 1 mbar sont acceptables à condition que le volume de la chambre d’impact soit suffisamment important.
La planéité à l’impact dépend :
- de la planéité et du parallélisme de l’impacteur et de la cible utilisés ;
- de la qualité du collage entre l’impacteur et le sabot ;
- du réglage de la perpendicularité entre la cible et l’axe du lanceur.
Essai d’impact de plaques.
Visualisation de la zone de déformation uniaxiale et des zones de déformation bidimensionnelle
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La maîtrise de ces paramètres conduit à des valeurs de 1 mrad comme défaut de la planéité à l’impact.
Quelle métrologie peut-on utiliser pour exploiter au mieux ces essais ?
La vitesse à l’impact et la planéité à l’impact sont mesurées avec des sondes chronométriques (sondes à court-circuit, sondes piézoélectriques) disposées autour de la cible avec des emplacements et des hauteurs par rapport au plan de la cible bien définis.
Au cours de cet essai, les grandeurs mesurées sont la contrainte uniaxiale avec des jauges électromagnétiques ou des interféromètres. Ce sont ces derniers qui sont aujourd’hui majoritairement utilisés compte tenu de la précision de leur mesure par rapport aux autres techniques métrologiques.
A titre d’exemple, la configuration d’un essai instrumenté avec une sonde optique reliée à un interféromètre de type VISAR ou VH est représentée sur la figure ci-dessous. Le diagramme de surface libre obtenu au cours de cet essai sur un acier de type S690QL est indiqué sur la droite de cette figure.
Le diagramme fait apparaître plusieurs singularités qui correspondent à la limite élastique d’Hugoniot, à la limite d’écaillage et au point d’Hugoniot atteint durant cet essai. Les valeurs de contrainte et de déformation se calculent à partir des valeurs de vitesse en utilisant les relations de conservation de la masse et de la quantité de mouvement exprimée pour une propagation d’onde longitudinale en déformation uniaxiale.
Les principaux avantages par rapport aux autres types d’essais de caractérisation dynamique
Le principal avantage de l’essai d’impact de plaques réside dans la richesse des configurations qu’il propose. Il est ainsi possible d’étudier le comportement dynamique de la matière par une sollicitation de type compression-détente, compression-rechoc, multichoc, rampe de compression… en adaptant la géométrie de la configuration, c’est-à-dire en utilisant des matériaux fenêtres à l’arrière de la cible et des impacteurs composés de plusieurs matériaux de différentes impédances. Pour étudier le comportement de matériaux poreux, pour lesquels l’instrumentation est rendue difficile par la porosité, on adopte une configuration inverse : le matériau à étudier constitue l’impacteur et la cible est un matériau de référence dont le comportement sous choc est connu.
Quelle est la finalité des essais d’impact de plaques ?
L’essai d’impact de plaques a ainsi été mis en œuvre depuis plus de 60 ans pour caractériser le comportement de nombreux métaux, des polymères, des élastomères, des céramiques, des géomatériaux, des composites, des matériaux poreux et plus récemment des matériaux imprimés 3D. Cet essai a contribué à la connaissance des propriétés des matériaux sous choc ou sous comportement fortement dynamique et notamment aux transitions élasto-plastiques, aux comportements viscoélastiques et viscoplastiques, aux comportements poreux, aux transformations polymorphiques et aux changements de phase, à l’endommagement et à la rupture conduisant à l’écaillage.
