Fracture toughness and fracture surface energy of inorganic and non-metallic glasses

par Theany To

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Tanguy Rouxel.

Soutenue le 27-02-2019

à Rennes 1 , dans le cadre de MATHSTIC , en partenariat avec Universite Bretagne Loire (ComuE) et de ISCR (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Ténacité et énergie de surface de fracture de verres inorganiques et non métalliques


  • Résumé

    La ténacité et l’énergie de surface de fracture de verres, de vitrocéramiques et de composites à matrice en verre ont été étudiées. Tout d'abord, un test de flexion bi-axiale (configuration anneau/anneau) a été réalisé sur des verres de silice et des verre-à-vitres avec différentes conditions de surface afin d’identifier la relation entre le défaut de surface, la résistance et la ténacité du verre. Ensuite, trois méthodes d’expérimentation ont été mises en œuvre, principalement la méthode de poutre de flexion à pré-entaille droit (SEPB), la méthode de la poutre entaillée en chevron (CNB) et la méthode de la poutre avec indentations Vickers (VIF), afin de déterminer la ténacité de quatre verres produits industriellement et de déterminer les avantages et les inconvénients des différents méthodes sélectionnées. La méthode qui est apparue la plus fiable et auto-cohérente, la méthode SEPB (Single Edge Precrack Beam), a été appliquée à la détermination de la ténacité de nombreux verres et vitrocéramiques, afin d’étudier l’influence de la composition et de la microstructure sur les caractéristiques de fissuration (KIC et énergie de fissuration, γ). Enfin, l’influence de la température et de l'environnement sur la ténacité a été étudiée à l'aide de la méthode SEPB. Deux verres d'oxyde ont été testés à des températures élevées et avec une vitesse de charge de 10 MPa∙√m/s, une température de transition de 1,11Tg a été trouvée. Quatre autres verres d'oxyde ont été testés en environnement inerte et les mêmes valeurs de ténacité ont été obtenues à partir de deux vitesses de charge (100 fois) différentes.


  • Résumé

    Fracture toughness and fracture surface energy of commercial and laboratory glasses, glass-ceramics and glass matrix composites have been studied. First, bi-axial bending test (RoR configuration) was performed on fused silica and window float glasses with different surface conditions to identify the relationship between the surface flaw, the strength and fracture toughness. After, three experiment methods, mainly single-edge precracked beam (SEPB), chevron-notched beam (CNB) and Vickers indentation fracture (VIF) were performed to determine the fracture toughness of four commercial known glasses and to determine the advantages and inconveniences of the different selected methods. The method that is appeared as the most reliable and self-consistent, the SEPB (Single Edge Precrack Beam) method, was applied to determine the toughness of the large amount of glasses and glass-ceramics, to study the influence of the composition and the microstructure on the characteristics of cracking (KIC and fracture energy, γ). Last but not least, the influence of the temperature and environment on the fracture toughness was studied by means of the SEPB method. Two oxide glasses were tested in elevated temperatures and with the loading rate of 10 MPa∙√m/s, a transition temperature of 1.11Tg was found. Four other oxide glasses were tested in the inert environment and the same fracture toughness values were obtained from (100 times) two different cross-head speeds.


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