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Combined 4D experimental grain-scale characterisation of grain-strains, force transfer and kinematics in natural granular material (sand) under load

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Le rôle des microstructures dans les matériaux en grains

Les granulés comme le sable sont des systèmes complexes au sein desquels les grains se comportent et interagissent collectivement, de façon compliquée. Une initiative financée par l'UE a étudié leur comportement mécanique en menant des expériences utilisant la tomographie et la diffraction 3D à rayons X.

Recherche fondamentale

Le projet GRANULAR MECHANICS (Combined 4D experimental grain-scale characterisation of grain-strains, force transfer and kinematics in natural granular material (sand) under load) a étudié le rôle des microstructures et des processus microstructurels dans le comportement de matériaux en grains comme le sable. Le fait de mieux quantifier le comportement des granulés facilitera la conception et le calibrage de techniques théoriques et numériques en vue de modéliser la mécanique de leur comportement. Les scientifiques ont utilisé de nouvelles méthodes expérimentales, d'analyse des données et e traitement d'images, pour mesurer en même temps la cinématique des particules, l'évolution de la structure, le transfert des forces et l'élasticité dans un sable soumis à une charge mécanique. Les chercheurs se sont attachés à mettre au point de nouvelles méthodes pour quantifier simultanément la cinématique interne de chaque grain de sable, avec des échantillons contenant de nombreux grains et soumis à une déformation. La tomographie à rayons X et l'analyse d'image ont permis d'établir la cinématique granulaire, alors que la diffraction tridimensionnelle à rayons X (3DXRD), développée pour l'étude des métaux, a été adaptée pour mesurer les contraintes des réseaux cristallographiques de chaque grain de sable (des cristaux de quartz). Les chercheurs ont associé la diffraction 3DXRD avec l'imagerie par tomographie X et l'analyse d'images numériques en 3D, arrivant pour la première fois à mesurer la cinématique des grains et à déduire la transmission des forces au sein de matériaux rigides et opaques. Ils ont mis en relation ces mesures avec le comportement et des propriétés macroscopiques comme la réponse contrainte-déformation, la rigidité des éprouvettes et la configuration statistique du système. Le projet a notablement amélioré la compréhension de la mécanique des granulés, depuis l'échelle du réseau cristallin de chaque grain jusqu'aux interactions entre les grains et à la formation de structures de transfert de forces. Ces structures (les chaînes de force) pourraient contrôler la rigidité et les effondrements aux échelles macroscopique et mésoscopique. Les résultats de GRANULAR MECHANICS aideront les scientifiques à développer de meilleurs modèles pour la mécanique des matériaux en grains. Ils bénéficieront en outre à des secteurs aussi divers que le traitement industriel des poudres, la fabrication de médicaments et l'agroalimentaire. Ils pourraient même contribuer à prévoir le comportement des sols pour des sites de poser sur la Lune ou Mars.

Mots‑clés

Matériaux en grains, sable, GRANULAR MECHANICS, transfert de force, 3DXRD

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