Exemples d'invariance d'échelle dans la fracture des matériaux fragiles désordonnés

Examples of scale invariances in the fracture of brittle disordered materials

• Auteur / Autrice : Nicolas Mallick
• Direction : Stéphane Roux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Lyon, Ecole normale supérieure
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Indentation des matériaux

Rugosité

Multifractales

Physique statistique

Traitement du signal

Mots clés libres

Fracture

Loi d'Omori

Emissions acoustiques

Résumé

Cette thèse de doctorat a pour but la caractérisation et la compréhension des phénomènes d'invariance d'échelle dans la fracture des matériaux fragiles désordonnés, qui se retrouvent aussi bien dans les séismes que dans la fracture en laboratoire. Ce travail s'appuie sur deux situations expérimentales différentes, l'indentation statique du verre et la rupture sous-critique en traction du papier. Dans la première situation, la dynamique de la fracture par indentation est suivie par émissions acoustiques, ce qui permet de mettre à jour les invariances d'échelles dans les distributions statistiques des grandeurs associées aux microfractures, qui sont des lois de puissance. En particulier, on retrouve une dynamique en loi d'Omori pour la dynamique, comme dans une étude récente dans le saphir à 10mK. L'influence de la température est également mise en évidence. Une modélisation basée sur un réseau de fibres aléatoires est proposée pour interpréter les résultats obtenus, avec un mécanisme basé sur l'activation thermique. Dans un second temps, les lois d'échelles caractérisant la morphologie des fronts de rupture du papier sont analysées. On montre expérimentalement que le régime de croissance de la fissure influe sur l'exposant de rugosité et que les fronts peuvent être considérés comme des structures multifractales. Dans les deux cas, ce travail bénéficie de l'apport d'outils récents de traitement du signal permettant d'une part de mieux détecter les émissions acoustiques, et d'autre part de caractériser de manière robuste et précise les lois d'échelles.

The aim of this thesis is to characterize and understand the scale invariances in the fracture of brittle disordered materials, exhibited by both earthquakes series and fracture experiments in laboratory. In this thesis, two differents experimental situations are studied, the statical indentation of glass and the sub-critical rupture of paper in a creep experiment. In the first situation, the indentation crack dynamic is followed by acoustic emissions, and the statistical distributions of physical quantities associated with the microcracks are found to be power laws, wich indicates scale invariances. In particular, the dynamic follows an Omori law, as shown in a recent study in sapphire at 10mK. The influence of temperature is also shown. A modelisation, based on disordered fiber bundle is proposed and explains qualitatively the observations, with a thermal activation mechanism. In the second situation, the scaling laws wich characterize the morphology of the crack fronts in paper are analysed. We show experimentaly that the growth regime influences the roughness exponent and that the fronts can be considered as multifractal structures. In both situations, recent signal processing tools are implemented. This allows to improve the detection of acoustic emissions and to precisely and rigorously characterize the scaling laws.