D. Bonamy, S. Prades, D. Dalmas, E. Bouchaud & C. Guillot Rupture nano-ductile d’un verre de Silice en corrosion sous contrainte: étude spatio-temporelle,

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1 D. Bonamy, S. Prades, D. Dalmas, E. Bouchaud & C. Guillot Rupture nano-ductile d’un verre de Silice en corrosion sous contrainte: étude spatio-temporelle, influence de la vitesseSPCSI DSM/DRECAM/SPCSI GdR Systèmes Elastiques - 21 Octobre 2003

2 SPCSI 2 Concentration des contraintes   Griffith (1920)

3 SPCSI 3 Concentration des contraintes    â Variation du champ de contraintes « universelle » en tête de fissure â le champ extérieur est encodé dans K I facteur d’intensité des contraintes c Griffith (1920) r crack r  Irwin (1957)

4 SPCSI 4 Critère de rupture: Énergie mécanique concentrée en tête de fissure : Dissipation (rupture des liaisons chimiques, endommagement,...) Griffith (1920), Irwin (1957), Orowan (1957) = K ic (*) KIKI Échelle macroscopique, mécanique des milieux continus > 100 nm Échelle des hétérogénéités, description statistique des mécanismes microscopiques (*) environnement inerte, endommagement localisé

5 SPCSI 5 Similarités des mécanismes microscopiques? a b c a) A. Nakano et al (LSU): DM fracture dynamique de verre Si 3 N 4 vitesse ~ 10 3 m/s b) E. Bouchaud (ONERA) alliage métallique Ti 3 Al 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) 30 nm â propagation par croissance & nucléation de cavités d’endommagement, aux échelles de longueur près. è OUI!!!

6 SPCSI 6 But de l’expérience : åÉtudier 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 åInclure les mécanismes élémentaires dans une description statistique. Interpréter les lois de comportement utilisées actuellement à partir de cette description

7 SPCSI 7 Dispositif expérimental DCDC Specimens (Silice pure) 2a Jauge de contrainte Jauge de déplacement    f  a,c  c   Rupture rapide jusqu’à       c, puis corrosion sous contrainte

8 SPCSI 8 K Wiederhorn et al. (1967,1970) K Ic KIKI 10 -13 m/s 10 -4 m/s 10 3 m/s Corrosion sous contrainte : vitesse vs. sollicitation K I (Mpa.m 1/2 ) 0.350.450.55 10 -6 10 -8 V (m/s) Optical AFM 10 -10

9 SPCSI 9 Dispositif expérimental AFM OPTIQUE Table anti- vibration Platines de translation micrométrique Pâte à modeler

10 SPCSI 10 Progression du front de fissure à l’échelle nanométrique dans la Silice pure èNucléation d’une cavité au devant de la tête de fissure ècroissance et coalescence de celle-ci avec le front principal èNanoductilité de la Silice pure èIndépendant de la composition * v= 3.10 -11 m/s

11 SPCSI 11 Dynamique des cavités A) Représentation spatio-temporelle 1.5 nm -1.5 nm x Image 146Image 50 x x Image 1 2 4 6 t (h) 100 200 300 x (nm)

12 SPCSI 12 Dynamique des cavités B) Vitesse des différents fronts èFluctuation importante, corrélée, des positions des différents fronts Front de la fissure principale V = 3 ± 0.8 10 -12 m/s Front arrière de la cavité V = 8 ± 5 10 -12 m/s Front avant de la cavité V = 9 ± 8 10 -12 m/s èVitesse des fronts significativement plus faible que la vitesse « macroscopique » Front macroscopique V = 3 10 -11 m/s èDistance (fissure - zone nucléation) ~ taille cavité à coalescence ~ 100nm

13 SPCSI 13 Signature de cet endommagement à l’échelle continue Rc Pointe de fissure x y z x z Écart à l ’élasticité linéaire (endommagement?) sur R c = 280 nm dans le sens de propagation Prédiction élastique linéaire Accès expérimental à : échelle microscopique échelle continue

14 SPCSI 14 Influence de la vitesse «moyenne» de propagation du front sur l’endommagment Taille de la zone endommagée Rc (nm) Vitesse (m/s) èL ’extension de la zone endommagée décroît avec la vitesse temps èA vitesse constante faible, elle croît avec le temps

15 SPCSI 15 Conclusion l Mise en évidence de cavités d’endommagement dans un verre simple, la Silice pure l Dynamique fluctuante, corrélée de l’avancée du front de la fissure principale et des fronts avant et arrière de la cavité l Vitesse de croissance des cavités différentes de la vitesse continue de propagation du front de fissure

16 SPCSI 16 … et Perspectives l 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)) l Répartition de l ’endommagement dans l’épaisseur du matériau l Influence de la concentration en Alcalin. Coll. Ghaleb (CEA Marcoule), Guittet (SPCSI)