Etude multiéchelle de la transition ductile-fragile dans la neige
Bernard, Antoine
Multiscale investigation of ductile-to-brittle transition in snow
La compréhension de l'évolution et du comportement de ce matériau est cruciale pour la prédiction des avalanches et leur interaction avec des structures, ou la modélisation de l'évolution du manteau neigeux.Formés dans les nuages, les flocons de neige s'accumulent pour former le manteau neigeux.La neige est un matériau poreux, composé d'un squelette de glace et d'air. Cette microstructure varie rapidement dans les conditions naturelles, sous l'effet du métamorphisme et du frittage dans le squelette de glace.Sa réponse mécanique est fortement influencée par les conditions de sollicitation (température, mode de chargement, contrainte ou vitesse de déformation) et la microstructure.Il a été observé que la résistance mécanique de le neige présente un durcissement en fonction de la vitesse de déformation dans la régime ductile et un adoucissement dans le régime fragile.La transition ductile-fragile, observée pour des gammes de vitesses de 10⁻⁴ s⁻¹ à 10⁻³ s⁻¹ correspond à la transition entre ces deux comportements.À l'échelle de la microstructure, cette transition est expliquée par une compétition entre des mécanismes de rupture de ponts entre les grains et des mécanismes de cicatrisation associés au frittage.Le rôle des propriétés élasto-visco-plastiques de la glace, de l'arrangement 3D du squelette de glace et leur importance relative en fonctions des conditions de sollicitation restent encore à préciser ; l'observation à l'échelle de la microstructure et en cours d'essai est délicate.Dans ce travail de thèse, nous avons conçu un dispositif expérimental spécifique pour mener une campagne d'essais de compression confinée d'échantillons de neige dans l'enceinte d'une cabine de micro-tomographie aux rayons X. Dans un premier temps nous avons conduit des essais de fluage sur des échantillons de neige à microstructure contrôlée. Dans une deuxième partie, nous avons réalisé une campagne d'essais de compression à vitesse contrôlée pour des gammes de vitesse allant de 10⁻⁶ s⁻¹ à 10⁻² s⁻¹.Nous avons utilisé la tomographie pour imager la microstructure de la neige. Pour tout les essais, les états initiaux et finaux ont été acquis. Pour les plus faibles vitesses de déformation, des scans ont aussi été réalisés en cours d'essai. Pour les autres, nous avons procédé à une acquisition de radiographies simples à haute fréquence.Sur les images, nous avons appliqué des algorithmes de traitement pour mesurer la densité, la surface spécifique, mais aussi de façon plus originale, la taille et le nombre de ponts. Nous avons quantifié avec précision l'évolution de ces caractéristiques sous plusieurs conditions de sollicitations.Cette étude a permis de mettre en évidence que, lors de la compaction de la neige sous faible contrainte, la microstructure n'était que faiblement impactée par la sollicitation mécanique, et ce essentiellement par une augmentation du nombre de ponts lorsque la densité initiale est relativement faible. Dans ces conditions, le métamorphisme reste le moteur principal de l'évolution de la surface spécifique.Sous vitesse de chargement contrôlée, l'augmentation de la résistance mécanique peut être attribuée à une rétroaction positive entre l'augmentation du nombre de ponts, contrôlée par "la mécanique", et l'augmentation de leur taille, due au métamorphisme.Les effets relatifs dépendent de la vitesse de sollicitation.A la transition ductile-fragile, nos observations mettent en évidence l'impact des ruptures locales de la microstructure sur la réponse mécanique qui, en comportement fragile, se caractérisent par la propagation de bandes de compaction.Cette étude, qui présente l'originalité d'associer systématiquement des observations microstructurales de haute définition à l'analyse de la réponse mécanique devrait permettre une meilleure prise en compte des mécanismes à petite échelle dans la représentation et la modélisation de la réponse macroscopique du manteau neigeux.</p>
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