Effets d'echelle dans la rupture des materiaux heterogenes

Scaling in the fracture of heterogeneous materials

• Auteur / Autrice : PASCAL DAGUIER
• Direction : Elisabeth Bouchaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées. Physique
• Date : Soutenance en 1997
• Etablissement(s) : Paris 6

Résumé

Les surfaces de rupture des materiaux heterogenes sont des objets fractals auto-affines dans un domaine d'echelles de longueur qui depend fortement de la microstructure. L'exposant de rugosite, lie a la dimension fractale de la surface, est independant du materiau et du mode de rupture et est proche de 0. 8. L'objectif de ce travail de these est d'abord d'examiner l'influence de la vitesse de propagation de la fissure sur la morphologie des surfaces de rupture de fatigue d'alliages d'aluminium et d'un intermetallique de titane. Ensuite, il etudie l'independance de l'exposant de rugosite et la variation des echelles de longueur avec la microstructure par le biais d'un programme de simulation de la propagation de fissures dans un materiau heterogene. Les principaux resultats obtenus sont, sur le plan experimental, la caracterisation des surfaces de rupture sur presque six decades d'echelles de longueur grace a l'utilisation conjointe de la microscopie electronique a balayage et la microscopie a force atomique. Un nouveau regime de rupture, caracterise par un exposant de rugosite de l'ordre de 0. 5, a ete mis en evidence aux petites echelles de longueur et/ou aux faibles vitesses moyennes de propagation de la fissure. La croissance discontinue d'une fissure, phenomene important dans le regime de seuil de fatigue, semble etre a l'origine de ce second regime. En outre, des similitudes entre la propagation d'un front de fissure dans un materiau heterogene et une transition dynamique du second ordre (la transition d'epinglage/desepinglage) sont mises en evidence. Sur le plan numerique, les resultats de la simulation font apparaitre deux modes de propagation pour une fissure macroscopique. Un mode de propagation par deflexion ou la fissure avance aux milieux des impuretes microstructurales et est deviee par celles-ci ; un mode de propagation par branchement ou la fissure avance principalement par coalescence avec l'endommagement cree a son extremite. Ces deux modes de propagation sont caracterises par deux exposants de rugosite differents respectivement egaux a 0. 5 et 0. 7. Par ailleurs, ces simulations rendent compte de l'independance de l'exposant de rugosite avec les differents parametres microstructuraux testes et l'existence d'une microstructure optimale conduisant a un maximum de la tenacite du materiau simule.