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Rupture nano-ductile d’un verre de Silice
en corrosion sous contrainte:
étude spatio-temporelle,
influence de la vitesse
D. Bonamy, S. Prades, D. Dalmas,
E. Bouchaud & C. Guillot
DSM/DRECAM/SPCSI
GdR Systèmes Elastiques - 21 Octobre 2003
SPCSI
Concentration des contraintes
Griffith (1920)
s
s
SPCSI
2
Concentration des contraintes
Griffith (1920)
s
s
r
crack
Irwin (1957)
r

s  KI f()
r
KI g(s c)
c


s
Variation du champ de contraintes
« universelle » en tête de fissure
le champ extérieur est encodé dans KI
facteur d’intensité des contraintes
SPCSI
3
Critère de rupture:
Griffith (1920), Irwin (1957), Orowan (1957)
KI
Kic
=
(*)
Énergie mécanique
concentrée en tête de
fissure :
Dissipation (rupture des
liaisons chimiques,
endommagement,...)
Échelle macroscopique,
mécanique des milieux
continus > 100 nm
Échelle des hétérogénéités,
description statistique des
mécanismes microscopiques
(*)
environnement inerte, endommagement localisé
SPCSI
4
Similarités des mécanismes microscopiques?
b
a
a) A. Nakano et al (LSU): DM fracture
dynamique de verre Si3N4 vitesse ~ 103 m/s
b) E. Bouchaud (ONERA) alliage métallique Ti3Al
vitesse ~ 10-6 m/s
c) F. Célarié et al (LDV & SPCSI) corrosion sous
contrainte d’un verre aluminosilicate
vitesse ~ 10-10 m/s (cf. POSTER)
 OUI!!!

propagation par croissance & nucléation
de cavités d’endommagement, aux
échelles de longueur près.
30 nm
c
SPCSI
5
But de l’expérience :

Étudier expérimentalement aux échelles
pertinentes, i.e. de 1 à 1000 nm, les
mécanismes physico-chimiques de rupture
dans un matériau « minimal », un verre de
Silice pure

Inclure les mécanismes élémentaires dans
une description statistique. Interpréter les
lois de comportement utilisées actuellement à
partir de cette description
SPCSI
6
Dispositif expérimental
Jauge de
contrainte
DCDC Specimens
(Silice pure)
KI  f (s,a,c)
s
2a
c
Jauge de déplacement
s
Rupture rapide jusqu’à KI  Kic,
puis corrosion sous contrainte
SPCSI
7
Corrosion sous contrainte :
vitesse vs. sollicitation
Wiederhorn et al. (1967,1970)
103 m/s
10-8
10-4 m/s
10-10
V (m/s)
10-6
Optical
AFM
0.35
0.45
0.55
KI (Mpa.m1/2)
10-13 m/s
KI
K
KIc
SPCSI
8
Dispositif expérimental
OPTIQUE
Pâte à
modeler
Platines de
translation
micrométrique
AFM
Table antivibration
SPCSI
9
* v= 3.10-11 m/s
Progression du front de fissure
à l’échelle nanométrique dans
la Silice pure
 Nucléation d’une cavité au
devant de la tête de fissure
 croissance et coalescence de
celle-ci avec le front principal
Nanoductilité de la Silice pure
Indépendant de la
composition
SPCSI
10
Dynamique des cavités
A) Représentation spatio-temporelle
6
xx
4
2
1.5 nm
t (h)
Image 50
1146
-1.5 nm
100
200
x (nm)
300
SPCSI
11
Dynamique des cavités
B) Vitesse des différents fronts
Front macroscopique
V = 3 10-11 m/s
Front avant de la cavité
V = 9 ± 8 10-12 m/s
Front arrière de la cavité
V = 8 ± 5 10-12 m/s
Front de la fissure principale
V = 3 ± 0.8 10-12 m/s
 Fluctuation importante, corrélée, des positions des différents fronts
 Vitesse des fronts significativement plus faible que la vitesse
« macroscopique »
Distance (fissure - zone nucléation) ~ taille cavité à coalescence ~ 100nm
12
SPCSI
Signature de cet endommagement
à l’échelle continue
z
y
z
Pointe de
fissure
Rc
Prédiction
élastique
linéaire
x
Écart à l ’élasticité linéaire
(endommagement?) sur Rc = 280
nm dans le sens de propagation
x
Accès expérimental à :
• échelle microscopique
• échelle continue
SPCSI
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Influence de la vitesse «moyenne» de
propagation du front sur l’endommagment
Taille de la zone
endommagée Rc (nm)
300
temps
350
250
200
150
Vitesse (m/s)
100
1,00E-12
1,00E-11
1,00E-10
1,00E-09
 L ’extension de la zone endommagée décroît avec la vitesse
 A vitesse constante faible, elle croît avec le temps
SPCSI
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Conclusion

Mise en évidence de cavités d’endommagement dans un
verre simple, la Silice pure

Dynamique fluctuante, corrélée de l’avancée du front de la
fissure principale et des fronts avant et arrière de la cavité

Vitesse de croissance des cavités différentes de la vitesse
continue de propagation du front de fissure
SPCSI
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… et Perspectives

Étude plus approfondie sur l’influence de la vitesse sur
l’endommagement
– comprendre la limite de fatigue
– comparer avec les simulations fracture rapide (coll. Van Brutzel
(Cadarache), Kalia, Rountree et al. (USC))

Répartition de l ’endommagement dans l’épaisseur du
matériau

Influence de la concentration en Alcalin. Coll. Ghaleb
(CEA Marcoule), Guittet (SPCSI)
SPCSI
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