Identification du comportement mécanique des matériaux à l’aide d’essais de micro-impact répétés

Identification of the stress-strain curves of metallic alloys using repeated micro impacts

¹ Université Technologique de Belfort-Montbéliard, IRTES-LERMPS EA, 7274, France
cecile.langlade@utbm.fr
² École des Mines de Saint-Etienne, Centre SMS, LGF UMR, 5307 CNRS, France
³ Instituto Politécnico Nacional CIITEC-IPN, Cerrada de Cecati S/N, Col. Sta. Catarina, C.P. 02250 Azcapotzalco, DF, Mexico

Reçu : 28 Juin 2014
Accepté : 20 Octobre 2014

Résumé

Les lois de comportement sont le reflet des propriétés mécaniques d’un matériau et sont aussi des données d’entrée indispensables pour les logiciels de simulation par éléments finis. Pour pouvoir identifier le comportement d’un matériau, il existe plusieurs méthodes (traction statique, barres Hopkinson...) mais la plupart de ces essais sont couteux et exigent des dimensions spécifiques d’éprouvettes. L’objectif de cette étude est de développer une méthode qui permet d’avoir une approche rapide de la loi de comportement du matériau à partir d’essais de micro impact. Cette méthode est capable d’identifier la courbe contrainte-déformation des matériaux en compression et à grande vitesse de déformation. Dans une première partie le dispositif expérimental de micro-impact et le modèle numérique sont présentés puis la méthode inverse utilisée est détaillée. Pour réaliser la comparaison à la base de la méthode inverse, une simulation numérique par éléments finis des impacts répétés a été réalisée et une base de données a été développée à partir de très nombreuses simulations avec plusieurs paramètres K et n de la loi de comportement de type Hollomon « σ = Kεⁿ ». En se basant sur ces résultats de simulations, une méthode inverse a été développée pour déterminer une loi de comportement par comparaison entre les résultats des forces et des rayons obtenus par simulation numérique à partir d’un modèle FEM des impacts et les valeurs expérimentales. La validation de cette méthode a été effectuée tout d’abord à l’aide d’essais purement numériques sur des matériaux virtuels possédant différentes lois de comportement réelles ou idéales, de type Hollomon ou non. Ensuite des applications sur des matériaux virtuels et industriels sont présentées.

Abstract

As constitutive laws reflect the mechanical properties of materials, they are an essential input for Finite Element Modelling software. In order to identify the behaviour of material, several techniques such as static tensile test, Hopkinson bars...can be used. However most of them tend to be expensive and require specific sample geometries. The objective of this study is to develop a method that provides a quick approach to the constitutive law of metals using micro-impact tests. This method is able to identify the stress-strain curve of material in compression and under high strain rate. In the first part, the experimental micro-impact device and the numerical model are presented then the inverse method is detailed. To launch the inverse method, a numerical finite element simulation of repeated impacts was created and a database has been developed from tens of simulations with several values of K and n parameters of the Hollomon constitutive law “σ = Kεⁿ”. Based on these simulation results an inverse method was developed to identify a constitutive law by the comparison between the numerical (database) and experimental results of radius and loads. The first step of the method validation was performed using purely numerical tests on virtual materials with real and perfect constitutive laws, following a Hollomon model or not. Then, applications on virtual and industrial materials are presented.