Snow deforms naturally in a large range of strain rates covering ductile to brittle regimes. In all situations, snow deformation is characterized by complex mechanisms taking place at the microstructure scale, with interplay between metamorphism, sintering and grain rearrangements. Current modeling efforts require better understanding and formulation of the microstructure-scale complexity.We performed compression experiments on snow samples in order to follow the microstructure evolution at various imposed displacement velocities. The resulting strain-rates varied between 10-2 s-1 and 10-7 s-1. Samples (15 mm height, 15 mm diameter) were made out of rounded grains with an initial density of about 250 kg m-3. Samples evolution was followed by means of micro-computed X-Ray tomography (microCT) with full 3D scans performed during the slower tests and simple radiographies at a high frequency for faster tests.In this presentation we will focus on the various metrics used to analyse the microstructure evolution on one side, in particular specific surface area (SSA) and the minimum cut area. On the other side, we will present recent developments based on digital image and volume correlations (DIC and DVC) performed on the radiographies and the 3D microCT images with the open access SPAM software (https://hal.univ-grenoble-alpes.fr/hal-03020460), in order to follow the local strain field.We will provide analyses of the interplay between metamorphism and strain in the microstructure evolution and of the impact of mechanisms at bonds in the various strain-rate regimes explored (ductile to brittle). Snow deformation localisations revealed by DIC and DVC observations will be presented. They can be inherited from initial sample heterogeneities or take the shape of compaction bands, depending on the strain rate.All these data and analyses will be further interpreted regarding the understanding of the small scale mechanisms of metamorphism and deformation of snow and their modeling frame.

Understanding ice flexural behavior is essential for assessing interactions with structures in cold environments. The mechanical response of ice depends on microstructural properties, such as grain size and porosity, which vary widely in natural ice. Existing bending test data often lack detailed microstructural characterization, making it difficult to interpret or generalize the results. In brittle materials such as concrete or rock, pores commonly act as failure-initiating defects. Therefore, porosity (pore size, shape and density) should be considered a key parameter when studying ice fracture. Here, we provide a robust set of bending experiments on well-controlled isotropic polycrystalline ice microstructures and investigate the role of porosity in ice failure. Two porosity levels were studied, characterized at high resolution by micro-computed X-ray tomography. Analyzing the bending failure by means of the Weibull model reveals that the sample failure is initiated by different defect populations, in relation to the porosity. Providing that the Griffith/Irwin failure criterion can be applied, the measured pore distribution allows the prediction of a critical stress for defect activation. Compared with measured failure stress, this prediction enables discriminating the defect population responsible for failure and offers a mechanistic interpretation of the volume effect observed in porous ice flexural strength.

Les impacts de grêlons peuvent induire de sérieux dégâts sur les aéronefs allant jusqu'à menacer l'intégrité même de la structure. Afin de concevoir des structures résistantes à ces impacts, il est dans un premier temps nécessaire de modéliser efficacement la réponse mécanique de la glace lorsque soumise aux conditions de chargement typiques d'un impact. Toutefois, la plupart des modèles visant à simuler les impacts de glace se basent sur des rhéologies élasto-viscoplastiques et présentent un domaine de validité restreint. En raison d'un manque de données expérimentales pour les paramètres contrôlant les mécanismes de fragmentation, ces modèles sous-estiment en particulier l'importance du comportement dynamique de la glace en traction et négligent systématiquement l'effet de la microstructure de la glace. Pourtant, il ressort de l'étude d'autres matériaux fragiles que les propriétés de fragmentation de ce type de matériau sous chargement de traction dynamique sont fortement dépendantes de la vitesse de déformation et de la microstructure. Dans un grêlon, les porosités sont des candidates sérieuses comme défauts les plus critiques pouvant initier la fragmentation. L'objet de cette étude est donc d'analyser la relation entre la porosité de la glace, les mécanismes d'endommagement et la réponse mécanique de la glace en traction dynamique.Dans ce travail, des essais d'écaillage hautement instrumentés sur des échantillons de glace polycristalline isotrope présentant différents taux de porosités, ont ainsi été menés à l'aide d'un dispositif expérimental adapté à ce matériau. Les essais d'écaillage ont permis de fournir le premier jeu de données robuste et reproductible pour la résistance en traction dynamique de la glace. À l'opposé de ce qui a pu être observé sous chargement quasi-statique, les résultats montrent une augmentation de la résistance en traction dynamique et de la densité de fissures avec la vitesse de déformation. La porosité diminue, elle, la résistance en traction dynamique de la glace. Cette influence de la porosité est justifiée en introduisant l'hypothèse que la contrainte critique pour amorcer une fissure sur une porosité est fonction de sa taille.En parallèle de ces travaux expérimentaux, nous proposons l'utilisation du modèle d'endommagement anisotrope Denoual-Forquin-Hild pour prédire le comportement dynamique de la glace en traction. La densité de défauts critiques, paramètre d'entrée de ce modèle, est déterminée par deux approches. La première consiste à appliquer le modèle de Weibull, qui utilise une distribution statistique suivant une loi puissance, pour caractériser la dispersion des contraintes à rupture d'essais de flexion. La seconde est basée sur l'utilisation des distributions réelles de tailles des porosités mesurées par micro-tomographie aux rayons X. La mécanique linéaire de la rupture est utilisée comme critère de rupture pour convertir la taille des porosités en contrainte d'activation. Les solutions du modèle avec ces deux approches sont détaillées et comparées avec les résultats expérimentaux. Les essais d'écaillage sont également reproduits par simulations numériques avec le modèle Denoual-Forquin-Hild. Nous observons que l'estimation d'une densité de défauts critiques basée sur la distribution de taille réelle des porosités permettrait une prédiction plus précise pour un plus large intervalle de vitesse de déformation que l'utilisation d'une distribution statistique basée sur le modèle de Weibull. Les résultats des simulations numériques sont en très bon accord avec les observations expérimentales, validant ainsi le rôle prépondérant des porosités dans l'amorçage de la fragmentation dans la glace poreuse. Ces résultats mettent en évidence l'importance de considérer la microstructure (et en particulier la porosité) ainsi que les spécificités de la résistance en traction dynamique comme des ingrédients essentiels de la modélisation de l'impact de grêle sur les structures.

Polycrystalline ice has been extensively investigated during the last decades regarding its mechanical behaviour for quasi-static loadings. Conversely, only few studies can be found on its dynamic behaviour and scientists suffer from a lack of experimental observation to develop relevant modelling at high strain-rate ranges. Dynamic experiments have already been conducted in compression mode using Hopkinson bar set-up. Regarding tension, experimental observations and measurements are scarce. The literature gives only approximated strength values. The knowledge of the latter is essential to design structures that may experience ice impact. The present study aims at providing the first reproducible experimental data of the tensile strength of polycrystalline ice subjected to dynamic tensile loading. To do so, a spalling test technique has been used for the first time on ice to apply tensile loading at strain-rates from 41 s(-1) to 271 s(-1). The experimental results show that the tensile strength is sensitive to the applied strain-rate, evolving from 1.9 MPa to 16.3 MPa for the highest applied loading rate.

This paper presents, for the first time, the evolution of the local heterogeneous strain field around intra-granular cracking in polycrystalline ice, at the onset of tertiary creep. Owing to the high homologous temperature conditions and relatively low compressive stress applied, stress concentration at the crack tips is relaxed by plastic mechanisms associated with dynamic recrystallization. Strain field evolution followed by digital image correlation (DIC) directly shows the redistribution of strain during crack opening, but also the redistribution driven by crack tip plasticity mechanisms and recrystallization. Associated local changes in microstructure induce modifications of the local stress field evidenced by crack closure during deformation. At the ductile-to-brittle transition in ice, micro-cracking and dynamic recrystallization mechanisms can co-exist and interact, the later being efficient to relax stress concentration at the crack tips.

This paper presents, for the first time, the evolution of local strain fields around intragranular cracking in polycrystalline ice, at the onset of tertiary creep. Owing to the high homologous temperature conditions and relatively low compressive stress applied, stress concentration at crack tips is relaxed by plastic mechanisms associated with dynamic recrystallization. Strain field evolution followed by Digital Image Correlation indirectly shows the redistribution of stresses during crack opening, but also driven by crack tip plasticity mechanisms and recrystallization. Such redistribution induces modifications in the local strain deformation bands, and crack closure during deformation. A strong interaction between cracking and dynamic recrystallization is therefore evidenced at the ductile to brittle transition in ice deformed at high homologous temperature.