Slow growth of cracks: from brittleness to complexity
Croissance lente de fissures: de la fragilité à la complexité
Résumé
The aim of this thesis is to contribute to the understanding of the physical mechanisms in action during the phenomenon of slow crack growth under stress. This work contains mainly experimental studies, but also theoretical ones treated analytically and numerically. We study different aspects of the phenomenon of slow crack growth starting from physical systems that appear to be the simplest and moving to more and more complex systems. We first present an analytical study of the influence of the structural disorder of a brittle elastic material on the phenomenon of thermally activated crack growth under stress. We show that disorder slows down, and even stops completely, the growth of the crack when thermodynamical temperature is under a critical value associated to it. Then, we present a detailed experimental study of the slow growth of a crack in an amorphous polymer film, namely polycarbonate. We understand the dynamics of crack growth thanks to the visco-elasto-plastic properties of the material and in particular the Arrhenius-Eyring creep law. More precisely, we show that the growth velocity of the crack can be decomposed in a term dependant on the mean stress inside the crack tip plastic zones and a term analog to a brittle rupture process. Additionally, we discover a surface instability inside the necking plastic zones of the polymer. Finally, we describe a preliminary experimental study of the peeling of an adhesive tape using a fast imaging technique. This study allows for the first time a direct access to the details of the so called stick-slip dynamics of the peeling point and opens the way for further theoretical understanding of this phenomenon.
Cette thèse de doctorat a pour objectif d'apporter une contribution à la compréhension des mécanismes physiques en jeu dans le phénomène de croissance lente de fissures dans un matériau sous contrainte. Ce travail s'appuie principalement sur des études expérimentales, mais est aussi composé de travaux théoriques traités à la fois analytiquement et numériquement. On aborde différents aspects du phénomène de croissance lente de fissures en allant de systèmes physiques semblant à priori être les plus simples pour s'orienter vers des systèmes de plus en plus complexes. Ainsi, il est d'abord présenté une étude analytique de l'influence du désordre structurel d'un matériau élastique fragile sur le phénomène de croissance lente thermiquement activée d'une fissure sous contrainte. On montre que le désordre a pour effet de ralentir, voire de bloquer, la croissance de la fissure lorsque la température thermodynamique est inférieure à une valeur critique associée à celui-ci. On présente ensuite une étude expérimentale détaillée de la croissance lente d'une fissure dans un film d'un polymère amorphe, le polycarbonate. On interprète la dynamique de croissance de la fissure grâce aux propriétés élasto-visco-plastiques de ce matériau en particulier la loi de fluage d'Arrhenius-Eyring. Plus précisément, on montre que la vitesse de croissance de la fissure se décompose en un terme dépendant de la contrainte moyenne dans les zones plastiques en pointe de fissure et d'un terme analogue à la rupture dans un milieu fragile. On met également en évidence une instabilité de surface dans les zones de striction du polymère. Finalement, on décrit une étude expérimentale préliminaire du phénomène de pelage d'un rouleau de ruban adhésif grâce à une technique d'imagerie à haute vitesse. Cette étude permet pour la première fois un accès direct aux détails de la dynamique de “stick-slip” du point de pelage et ouvre des perspectives pour l'interprétation théorique de ce phénomène.
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