La rupture des matériaux observée à l'échelle de la microseconde
Publié par Adrien le 12/11/2019 à 08:00
Source: CNRS INSIS
Avec une caméra ultra-rapide à haute résolution, l'Institut de recherche en génie civil et mécanique étudie la propagation des fissures dans les matériaux à l'échelle du micron et de la microseconde. Cette précision inégalée ouvre des perspectives pour mieux comprendre la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de la rupture, et améliorer la durabilité des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.).


Champ de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense...) mesuré par corrélation d'images numériques lors d'un essai d'impact asymétrique dans de PMMA filmé à 480 000 im/s.
© GeM

Lorsqu'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) subit un choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.), des fissures peuvent se former et se propager à grande vitesse (On distingue :), avec un risque d'endommagement majeur. Mieux comprendre ce phénomène permettrait de trouver des solutions pour améliorer la résistance des matériaux. Mais pour analyser finement la dynamique de la rupture, il faut pouvoir l'observer à l'échelle du micron et de la microseconde. C'est ce que permet la caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la...) ultra-rapide installée à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) en génie civil (Le Génie civil représente l'ensemble des techniques concernant les constructions civiles. Les ingénieurs civils s’occupent de la conception, de la réalisation, de l’exploitation et de la réhabilitation d’ouvrages de...) et mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce...) (GeM, CNRS/Ecole Centrale Nantes/ Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Nantes).

Cet instrument exceptionnel - il n'en existe que quelques exemplaires dans le monde (Le mot monde peut désigner :) - ouvre des perspectives nouvelles pour les chercheurs du GeM, en permettant d'observer un phénomène dynamique avec à la fois une grande vitesse d'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) (4 millions d'images/seconde) et une haute résolution (8 millions de pixels). Jusqu'à maintenant, la plupart des caméras ultra-rapides se contentent d'une résolution de quelques centaines de milliers de pixels.

Pour prendre en main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à l’extrémité de l’avant-bras et relié à ce dernier par le poignet. C'est un organe destiné à saisir et manipuler des...) la caméra, les chercheurs ont d'abord réalisé des essais de Kalthoff, déjà bien connus, qui consistent à observer l'effet d'un projectile sur une plaque comportant des entailles, afin d'observer la création des fissures, la formation de branchements dans leur propagation... La nouvelle caméra a permis d'enregistrer des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) inédites sur ce type d'essais. Cette première phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) leur a également permis d'acquérir le savoir-faire nécessaire pour valoriser les performances de l'instrument.

Plusieurs projets de recherche vont maintenant bénéficier de l'apport de la caméra ultra-rapide. Les chercheurs veulent par exemple l'utiliser pour étudier des matériaux dits "architecturés", des polymères (PMMA) qui comportent une structure quasi périodique susceptible "d'arrêter" la propagation de fissures, et donc d'améliorer la durabilité d'un matériau. L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) du comportement de matériaux métalliques à l'échelle du micron et de la microseconde est également au programme. La caméra ultra-rapide va aussi permettre d'approfondir les recherches sur les procédés de mise en forme à haute vitesse, notamment ceux reposant sur l'utilisation d'impulsions magnétiques intenses. Ces modes de fabrication ou de soudure innovants intéressent les industriels. Enfin, la modélisation de la rupture dynamique et du comportement à très haute vitesse de déformation est une thématique clé pour le laboratoire, et la caméra ultra-rapide permettra d'acquérir les données nécessaires à la validation des modèles.

Références

Propriétés vibratoires:
Vibrational properties of quasi-periodic beam structures.
A. Glacet, J. Réthoré, and A. Tanguy.
Journal of Sound and Vibration, 442:624-644, 2019.
DOI: doi.org/10.1016/j.jsv.2018.10.045

Une piste d'utilisation des données tirées des images de la caméra pour étudier le comportement dynamique des matériaux:
Non-parametric material state field extraction from full field measurements.
A. Leygue, R. Seghir, J. Réthoré, M. Coret, E. Verron, and L. Stainier.
Computational Mechanics, 64(2):501-509, 2019.
DOI: doi.org/10.1007/s00466-019-01725-z
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