Abstract : This thesis presents an experimental and theoretical study of slow
growth mechanisms of a single crack under stress in a
bidimensional geometry.
We have performed traction experiments (creep tests) of
heterogeneous fibrous materials (paper samples) with an initial
macroscopic defect (mode 1). We have observed that the slow crack
growth is actually progressing by steps. The average dynamics of
the crack growth from an initial length $L_i$ to a critical length
$L_C$, where the fracture is rapid, shows an exponential law for
the crack growth defined by $2$ parameters : the rupture time
$\tau$ and a characteristic growth length $\zeta$. A measure of
the surface energy needed to open the crack permits to distinguish
the Griffith length $L_G$ and the critical length of rupture
$L_C$. A statistical study of the step size during the damaging
process reveals that the step size distribution follows a power
law truncated by an exponential, which is typical of a critical
point approach in a sub-critical process.
This complex dynamics can be predicted quantitatively by our
semi-analytical approach, which describes the slow crack growth in
a pure bi-dimensionnal elastic system in terms of an activation
process, where the statistical stress fluctuations allow to
overcome a breaking threshold through a series of irreversible
steps. Our theoretical approach based on a numerical model (a 2d
spring network describing a bi-dimensional elastic "discrete"
system) shows the importance of the irreversibility of the rupture
process and the crucial role of heterogeneities, which appear only
in our model as a characteristic mesoscopic length scale.
Résumé : Ce mémoire est consacré à l'étude expérimentale et théorique de la
dynamique de croissance lente d'une fissure sous contrainte, en
géométrie bidimensionnelle.
Des expériences de chargement à force constante, dites de fluage,
sur des matériaux hétérogènes fibreux (feuilles de papier)
comportant un défaut macroscopique initial (mode 1 de rupture)
nous ont permis d'observer la croissance lente par sauts d'une
fissure. La dynamique moyenne de croissance du défaut depuis une
longueur initiale $L_i$ jusqu'à une longueur critique $L_C$, où
l'avancement devient rapide, suit une loi exponentielle déterminée
par 2 paramètres, le temps de vie de l'échantillon $\tau$ et une
longueur caractéristique de croissance $\zeta$. La mesure de
l'énergie de surface nécessaire pour ouvrir la fente permet de
distinguer la longueur critique de Griffith $L_G$ et la longueur
critique de rupture $L_C$ expérimentale. Une analyse statistique
montre que la distribution des sauts de longueur de fissure suit
une loi de puissance tronquée par une coupure exponentielle. Cette
distribution, caractéristique de l'approche d'un point critique,
dépend du facteur d'intensité des contraintes $K$.
Nous modélisons la croissance lente d'une fissure dans une plaque
parfaitement élastique, selon un processus de rupture irréversible
activée par les fluctuations statistiques de contraintes à
l'équilibre thermodynamique. Cette approche théorique validée par
des simulations numériques sur un réseau élastique discret est en
bon accord avec les expériences. De plus, la prise en compte de
pièges élastiques dus à la nature discrète du modèle pemet de
décrire une dynamique de croissance par sauts et de prédire la
forme de la distribution des sauts observée expérimentalement.