Mécanismes de rupture dans le verre à l'échelle nanométrique

The aim of this PhD. thesis is to identify the physical mechanisms involved in the fracture of glassy materials. An original experimental set-up – based on Atomic Force Microscopy - has been developed to follow in real time, at the nanometer scale, the very slow propagation of a crack in various glasses under stress corrosion. This has allowed us to show that the crack propagation occurs through growth and coalescence of damage cavities. Different glasses –from very complex ones to pure amorphous silica - have been investigated in order to understand the influence of the nanostructure. Same mechanisms of growth and coalescence of damage cavities were observed. This nano-ductile behaviour has macroscopic consequences: (i) the out-of-plane displacement field shows a departure from the one predicted by the Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) in the vicinity of the crack tip; (ii) The macroscopic speed of the crack front is dominated by the accelerating phases corresponding to the coalescence events between the main crack tip and the cavity ahead. The morphology of the fracture surfaces and its variation with respect to the average crack growth velocity have also been investigated. All the fracture surfaces exhibit a self-affine regime characterized by a roughness exponent equal to 0.8 up to a correlation length xi. Variation of this length xi as a function of the average crack tip velocity is similar to the one presented by the extension of the non-linear elastic zone. Such observations on the post-mortem fracture surface allow to probe the fracture mechanisms within the bulk of the sample. They provide a rather strong argument as for the existence of damage cavities within the bulk of our specimen.
Cette thèse a pour but d'identifier les mécanismes physiques responsables de la rupture des matériaux vitreux. Un dispositif expérimental original – centré sur un Microscope à Force Atomique - a donc été développé afin d'observer en temps réel, à l'échelle nanométrique, la propagation extrêmement lente d'une fissure dans des verres en corrosion sous contrainte. Nous avons ainsi pu montrer que ces fissures se propagent via la croissance et la coalescence de cavités d'endommagement. Différents verres allant de verres complexes à un verre de silice pure ont été étudiés afin de comprendre l'influence de la nanostructure : le même mécanisme de propagation par croissance et coalescence de cavités est observé. Cette nano-ductilité a des implications macroscopiques : (i) le champ de déformations hors plan présente un écart à celui prédit par le Modèle Linéaire Elastique de la Rupture (MLER) au voisinage du front de fissure; (ii) la vitesse macroscopique de propagation du front de fissure est dominée par les phases d'accélérations lorsqu'une cavité coalesce avec le front de fissure principale. La morphologie des surfaces de rupture a également été étudiée post-mortem en fonction de la vitesse moyenne de propagation. Toutes les surfaces observées présentent un régime auto-affine caractérisé par un exposant de rugosité égal à 0.8 jusqu'à une longueur de corrélation xi. L'évolution de cette longueur xi avec la vitesse est identique à celle présentée par l'extension de la zone non élastique linéaire. Ces observations sur les surfaces de rupture permettent d'accéder à ce qui se passe dans le volume de l'échantillon, et sont un indice très fort quant à l'existence de cavités dans le volume.