Hdr Année : 2025

Contribution à l'étude de l’amorçage de fissures dans les matériaux fragiles

Résumé

L'amorçage de fissures dans les matériaux fragiles est un phénomène complexe qui intervient généralement de manière soudaine et peut entraîner la rupture brutale d'une structure ou d'un matériau. Étant donné les petites échelles de temps et d'espace en jeu, la caractérisation expérimentale de la manière dont la fissure se crée n'est pas triviale. La modélisation de l'amorçage de fissures apporte des éléments de compréhension des conditions de formation d'une fissure. Les approches classiques de mécanique de la rupture construites sur l'hypothèse d'une fissure semi-infinie en milieu infini ne peuvent cependant pas décrire l'étape d'amorçage d'une fissure. Celle-ci peut être étudiée à l'aide de modèles faisant intervenir une longueur caractéristique, par exemple en combinant une condition en contrainte et une condition en énergie dans le critère couplé (CC). Ce dernier donne un cadre suffisamment général pour analyser l'amorçage d'une fissure dans un matériau fragile dans une large gamme de configurations, comme au niveau d'un point singulier ou d'une concentration de contrainte. Ce modèle de compréhension rationalise les conditions d'amorçage d'une fissure en fonction des propriétés du matériau, de la géométrie étudiée et des conditions de chargement. Il permet de prévoir la surface d'amorçage de fissures et le niveau de chargement à l'amorçage. Grâce au CC, on décrit l'influence d'un défaut sur l'amorçage d'une fissure, et l'on explique en partie la dispersion des contraintes à rupture ainsi que les effets de taille sur la rupture observés expérimentalement sur des matériaux céramiques. On explique également des mécanismes de renforcement de la ténacité tels que la déviation ou le confinement de fissures dans des céramiques à microstructure "briques-et-mortier". Le CC convient également à modéliser la fissuration comme un mécanisme source d'émission acoustique (EA). Il se combine à la simulation de la propagation d'ondes élastiques résultantes dans le matériau en intégrant la dynamique de création de la fissure et une modélisation du matériel d'EA (préamplificateur, chaîne d'acquisition, capteur). Les simulations d'EA qui en découlent illustrent le lien entre le mécanisme de fissuration et les signaux d'EA mesurés. Elles améliorent la compréhension et l'analyse des mesures expérimentales, par exemple concernant l'influence du type de capteur, du matériau constitutif ou de la géométrie des éprouvettes. Enfin, les quelques configurations où le CC échoue à décrire le mécanisme d'amorçage ou de propagation de fissures correspondent à des cas pilotés par l'énergie uniquement, où l'effet de longueur amené par le couplage des deux critères est absent. Une voie prometteuse pour pallier à ces configurations pathologiques consiste à décrire une zone d'élaboration autour de la fissure ou avant son amorçage, par exemple avec les méthodes de régularisation proposées dans les modèles de rupture par champ de phase.

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Citer

Aurélien Doitrand. Contribution à l'étude de l’amorçage de fissures dans les matériaux fragiles. Physique [physics]. Université Lyon 1 - Claude Bernard; INSA Lyon, 2025. ⟨tel-05015020⟩
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