Une approche expérimentale multiéchelle de la rupture des verres

proposition de thèse 2021-2024

Sciences et Ingénierie de la Matière Molle (SIMM),
UMR 7615
Adresse  : ESPCI – 10 rue Vauquelin – 75231 Paris Cedex 05
Directeur de l’Unité : Etienne Barthel
Etablissement de rattachement : ESPCI/Sorbonne Université/CNRS
Encadrement : Etienne Barthel et Matteo Ciccotti
Contact  : etienne.barthel (arobase) espci.fr et matteo.ciccotti (arobase) espci.fr
https://www.simm.espci.fr – ED397 (SU ou PSL)

Mots-clés : matériaux amorphes, micromécanique, rupture
Compétences recherchées  : sciences des matériaux ou mécanique des matériaux, expérimentation
Financement  : Agence Nationale de la Recherche (ANR) - salaire mensuel : 1900 € net, CDD 3 ans
 
Contexte  : on sait depuis précisément 100 ans que la rupture des matériaux fragiles se fait à partir de défauts de surface. Ce qui est moins connu, c’est comment se forment ces défauts. Par exemple, on ne comprend pas bien pourquoi, parmi de nombreux verres silicatés, dont les propriétés mécaniques sont par ailleurs très semblables (elasticité, résistance à la propagation des fractures, dureté), certains résistent beaucoup mieux à la formation de fissures que d’autres (Fig. - 3). Nous avons récemment proposé d’en rechercher la cause dans la sensibilité à la localisation de la déformation plastique [1] telle qu’elle se manifeste par exemple dans la formation de bandes de cisaillement (Fig. - 1).

Projet  : toute la difficulté est que le matériau étant fragile, il faut travailler à petite échelle (environ 10 μm). Dans ce projet, on développera une approche expérimentale originale de mesure optique de champs de déformation (Fig. - 2) couplée à des essais mécaniques locaux, en particulier sur des micropiliers (Fig. 1) et en indentation (Fig. - 2 et 3). Ces expériences permettront de mettre en relation structure du matériau, propriétés mécaniques, sensibilité à la localisation de la déformation et inititation de fractures. Les premiers objets d’étude seront des résines epoxy qui sont des polymères amorphes fragiles de mise en forme simple. Ce système modèle est très pertinent puisque la localisation de la déformation plastique est le principal mécanisme du renforcement des polymères vitreux microstructurés par les latex élastomères [2]. La méthodologie ainsi développée sera ensuite appliquée à quelques séries de verres silicatés connus pour présenter une gradation marquée de sensibilité à la fissuration [3]. Des modélisations menées en parallèle à l’INSA de Lyon (G. Molnar & A. Tanguy) viendront aussi orienter les travaux expérimentaux et aider à en éclairer les conclusions.

Déroulement et partenariat : ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre du projet de recherche ANR GaLaad. Certaines expériences spécifiques nécessiteront le développement de montages dédiés, d’autres seront réalisées dans deux laboratoires partenaires du projet (compression in situ à l’Ecole des Mines de Saint-Etienne – G. Kermouche, cartographie Raman à l’ILM de Lyon – C. Martinet). Quoique de nature relativement fondamentale, ce projet s’inscrit également dans une collaboration de long terme avec deux entreprises verrières, les sociétés Saint-Gobain Recherche (Aubervilliers) et Nippon Electric Glass (Shiga, Japon) avec lesquelles l’étudiant sera amené à interagir ponctuellement.

Candidat  : bonne formation en sciences ou en mécanique des matériaux, curiosité et appétence pour les démarches expérimentales originales.

References bibliographiques :
[1] Indentation cracking in silicate glasses is directed by shear flow, not by densification
Barthel, E. ; Keryvin, V. ; Rosales-Sosa, G. & Kermouche, G., Acta Materialia 194 (2020) 473-481
[2 ] Modelling of the toughening mechanisms in rubber-modified epoxy polymers, Y. Huang & A. J. Kinloch, Journal of materials science 27 (1992) 2753-2762
[3] Mechanical properties of silicate glasses as a function of composition, R. J. Hand & D. R. Tadjiev, Journal of non-crystalline solids 356 (2010) 2417-2423

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Informations Pratiques

Sciences et Ingénierie de la Matière Molle - UMR 7615

10 rue Vauquelin
75231 PARIS CEDEX 05

  • Directeur : E. Barthel
  • Directeur adjoint : J.B. d’Espinose
  • Directrice adjointe : G. Ducouret
  • Pôle gestion : F. Decuq, M.-T. Mendy et M. Hirano-Courcot
  • Communication : A. Hakopian et M. Ciccotti
  • Systèmes d’information : A. Hakopian
  • Assistant prévention : F. Martin

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