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Dynamic fracture in brittle amorphous materials: Dissipation mechanisms and dynamically-induced micro-cracking in PMMA
Claudia Guerra-Amaro
IRAMIS-SPCSI
Mercredi 09/12/2009, 14h00
 
Soutenance à l'Amphi. Lagarrigue, Ecole Polytechnique, Palaiseau.

Résumé- La propagation de fissures est le mécanisme fondamental responsable de la rupture catastrophique des matériaux fragiles. Celle-ci est décrite traditionnellement par la Mécanique Linéaire Elastique de la Rupture. Or, si ce cadre théorique apparait performant pour décrire des fissures lentes, il échoue largement à haute vitesse. En particulier, il ne permet pas de rendre compte des vitesses de rupture maximales observées expérimentalement, ni de la rugosité des faciès observée à haute vitesse. Pour explorer ces phénomènes, nous avons mis en place un dispositif expérimental qui permet d'étudier les mécanismes de rupture dans un matériau fragile modèle - nous avons opté pour le Plexiglas - sur une large gamme de vitesse, aux petites échelles d'espace et de temps.

Ce dispositif nous a permis de mettre en évidence une nouvelle vitesse critique au delà de laquelle, la propagation de la fissure s'accompagne d'endommagements macroscopiques sous forme de nucléation et de croissance de microfissures en avant du front. Un scénario simple permet de prendre en compte cet endommagement pour quantifier la variation de l'énergie dite de fracture, i.e. l'énergie dissipée par le matériau lorsque la fissure se propage d'un incrément de surface,  et expliquer la valeur anormalement basse de la vitesse limite de rupture observée dans les matériaux fragiles. Il explique aussi la nature grenue des faciès de rupture observés. Nous avons par ailleurs pu montrer qu'il était possible, à partir des faciès de rupture, de reconstruire de manière déterministe, à l'échelle du micromètre et de la microseconde la dynamique de propagation du front de fissure et le développement d'endommagement associé.

A gauche : surface de fracture obtenue après rupture rapide d’un spécimen de Plexiglas montrant l'existence d'endommagement sous forme de marques coniques. Droite : surface obtenu après reconstruction de la propagation du front et développement de l’endommagement associé.

Mots-clés : rupture dynamique, matériaux fragiles,  marques coniques.

 


Abstract- Crack propagation is the fundamental mechanism responsible for catastrophic breakdown of brittle materials, and is usually described by the Linear Elastic theory of fracture. However, this theoretical framework is only relevant to slow crack propagation and fails dramatically at high velocities.  In particular, it accounts neither for the experimentally observed maximal crack velocities, nor for the roughness of the post-mortem fracture surfaces obtained in the high velocity regime. In order to investigate these phenomena, we have designed an experimental setup that allows to study the fracture mechanisms in a model brittle material, namely PMMA, over a wide range of velocities at small space and time scales.

 

This apparatus has enabled us to evidence a new critical velocity beyond which crack propagation is accompanied by macroscopic damage through the nucleation and growth of microcracks ahead of the front. A simple scenario allows to take this damage into account in the so-called fracture energy, i.e. the energy dissipated as the crack propagates over a surface increment, and may succeed to explain the abnormally low limiting crack velocity observed in brittle materials. It explains also the "mist" nature of the resulting post mortem fracture surfaces above a given velocity. Moreover, we have shown that it is possible to reconstruct deterministically the dynamics of the crack front and the associated damage spreading, at the micrometer/microsecond scale, from the patterns observed on the post mortem fracture surfaces.

Keywords : dynamic fracture, brittle materials,  conic marks .

Contact : Daniel BONAMY

 

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