Dynamic fracture in brittle amorphous materials : dissipation mechanisms and dynamically-induced microcracking in PMMA

• Auteur / Autrice : Claudia Maribel Guerra Amaro
• Direction : Daniel Bonamy, Davy Dalmas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique
• Jury : Président / Présidente : Krishnaswamy Ravi-Chandar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Moisés Hinojosa Rivera, Michel Rosso
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mokhtar Adda-Bedia, Sergio Ciliberto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fragilité

Mécanique de la rupture

Résumé

La propagation de fissures est le mécanisme fondamental responsable de la rupture catastrophique des matériaux fragiles. Celle-ci est décrite traditionnellement par la Mécanique Linéaire Elastique de la Rupture. Or, si ce cadre théorique apparait performant pour décrire des fissures lentes, il échoue largement à haute vitesse. En particulier, il ne permet pas de rendre compte des vitesses de rupture maximales observées expérimentalement, ni de la rugosité des faciès observée à haute vitesse. Pour explorer ces phénomènes, nous avons mis en place un dispositif expérimental qui permet d'étudier les mécanismes de rupture dans un matériau fragile modèle - nous avons opté pour le Plexiglas - sur une large gamme de vitesse, aux petites échelles d'espace et de temps. Ce dispositif nous a permis de mettre en évidence une nouvelle vitesse critique au delà de laquelle, la propagation de la fissure s'accompagne d'endommagements macroscopiques sous forme de nucléation et de croissance de microfissures en avant du front. Un scénario simple permet de prendre en compte cet endommagement pour quantifier la variation de l'énergie dite de fracture, i. E. L'énergie dissipée par le matériau lorsque la fissure se propage d'un incrément de surface, et expliquer la valeur anormalement basse de la vitesse limite de rupture observée dans les matériaux fragiles. Il explique aussi la nature grenue des faciès de rupture observés. Nous avons par ailleurs pu montrer qu'il était possible, à partir des faciès de rupture, de reconstruire de manière déterministe, à l'échelle du micromètre et de la microseconde la dynamique de propagation du front de fissure et le développement d'endommagement associé.

Crack propagation is the fundamental mechanism responsible for catastrophic breakdown of brittle materials, and is usually described by the Linear Elastic theory of fracture. However, this theoretical framework is only relevant to slow crack propagation and fails dramatically at high velocities. In particular, it accounts neither for the experimentally observed maximal crack velocities, nor for the roughness of the post-mortem fracture surfaces obtained in the high velocity regime. In order to investigate these phenomena, we have designed an experimental setup that allows to study the fracture mechanisms in a model brittle material, namely PMMA, over a wide range of velocities at small space and time scales. This apparatus has enabled us to evidence a new critical velocity beyond which crack propagation is accompanied by macroscopic damage through the nucleation and growth of microcracks ahead of the front. A simple scenario allows to take this damage into account in the so-called fracture energy, i. E. The energy dissipated as the crack propagates over a surface increment, and may succeed to explain the abnormally low limiting crack velocity observed in brittle materials. It explains also the