Service de Physique de l'Etat Condensé

Fracture des matériaux
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Fracture des matériaux

Image AFM 500x500nm2 d'une surface de rupture du verre dans la zone dite "miroir", plate à l'œil (C. Guillot)

1. Thèmes d'étude

L’étude des modes de rupture et d’endommagement dans les matériaux les plus divers a montré que les mécanismes pertinents avaient lieu à l’échelle des hétérogénéités microstructurales du matériau. En ce qui concerne les amorphes, cette échelle est très fine (typiquement inférieure à 100 nm), car elle correspond aux fluctuations de densité, les phénomènes mis en jeu se situant alors à l’échelle moléculaire. De ce fait, les mécanismes physico-chimiques de rupture à cette échelle, ainsi que les liens avec la structure moléculaire demeurent incompris. Leur compréhension globale, incluant aussi bien la morphologie à cette échelle que les corrélations avec la liaison chimique, présente un grand intérêt, tant du point de vue fondamental qu’industriel (tenue des matrices de stockage). C’est là un nouveau thème de recherche développé au SPCSI en couplant étude morphologique par Microscopie à Force Atomique (AFM) à une étude de la " chimie " de la fracture en Spectroscopie de Photoémission X (XPS).

 

Il s’agit dans un premier temps de valider expérimentalement des simulations en Dynamique Moléculaire montrant que des cavités d’endommagement devraient exister à une échelle nanométrique dans les verres (nano-ductilité du verre) et que la composition chimique influe sur les différentes propriétés mécaniques et la propagation de la fracture.
La fissuration est effectuée en corrosion sous contrainte, à des vitesses de propagation comprises entre 10-6 et 10-10 m/s. Notre but est par la suite d’appliquer ces études aux verres de stockage, ayant subi différentes atmosphères (essentiellement humidité) et/ou différentes doses d’irradiation, l’irradiation ayant pour effet d’induire des défauts de structure et éventuellement une modification de la composition chimique.

 

2. Techniques utilisées

Nous voulons mettre en œuvre la seule méthode expérimentale capable de mettre en évidence les cavités nanométriques prédites par simulation en dynamique moléculaire dans la fracture des verres. Cette méthode, basée sur la connaissance quantitative du relief des deux surfaces de rupture complémentaires, repose sur l’étude morphologique effectuée en Microscopie à Force Atomique (AFM).

Le problème expérimental majeur est de s’assurer d’une origine commune aux deux surfaces de rupture, définie à une dizaine de nanomètres près. A cette fin, nous nous sommes équipés fin 2000 et en 2001 :

- d’une table de nano-positionnement (micro-mécanique + piezoélectriques : Spindler-Hoyer).
- d’une tête AFM "stand alone" (SMENA), la mesure AFM devant être indépendante du déplacement.
- d’une mesure nanométrique des déplacements par interférométrie (Lot-Oriel : zygo ZMI) permettant un repérage à mieux que 10 nm près.
- d’un microscope optique.
- d’une platine de compression avec une interface permettant de contrôler les paramètres de la fissuration (propagation à des vitesses de l’ordre de 10-9m/s en corrosion sous contrainte constante).

Nous procédons actuellement à l’analyse statistique d’une seule des surfaces : détermination des exposants de rugosité dans différentes directions.

Contacts : Elisabeth BOUCHAUD et Daniel BONAMY.

 

Maj : 19/03/2010 (27)

 

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