Initiation de la rupture dans les verres silicatés - rôle de la plasticité, des bandes de cisaillement et de l'endommagement – GaLAaD

Les verres silicatés se singularisent par une remarquable combinaison de propriétés : rigidité mécanique et transparence, facilité de mise en forme et bas coûts de fabrication. Leur utilisation est cependant souvent limitée par leur faible résistance à la rupture quand bien même leur contrainte intrinsèque à la rupture est remarquablement élevée. En fait, comme on le sait depuis un siècle maintenant, ce sont les défauts de surface qui abaissent de façon dramatique la résistance mécanique des verres silicatés. Or on a observé que certaines compositions de verre sont moins sensibles à la formation de défauts de surface, souvent quantifiée par la résistance à la fissuration par indentation. Par contre, on ne sait pas encore pourquoi. Comprendre comment se forment les défauts à la surface des verres silicatés et comment la sensibilité à l'endommagement de surface est liée à la composition, c'est là une question encore très ouverte en mécanique des matériaux, et un enjeu technologique certain. Or il a depuis longtemps été proposé que c'est l'endommagement du matériau consécutif à l'écoulement plastique en cisaillement et en particulier la formation de bandes de cisaillement qui forme le lieu de l'initiation des fractures. Mais cette hypothèse, qui rencontre peu d'écho dans la littérature, n'a pas pu jusqu'à présent être testée de façon systématique, en particulier du fait de difficultés rencontrées pour modéliser la réponse plastique de ces matériaux à l'échelle du milieu continu, et donc à obtenir une bonne représentation des déformations plastiques subies lors de l'indentation. Dans le projet GaLAaD, nous mettrons a profit de récents développements expérimentaux et numériques pour proposer une approche quantitative de l'initiation des fissures par indentation dans deux séries de verres d'intérêt technologique, respectivement sodocalciques et borosilicatés. Dans cette étude multiéchelle, on s'appuiera sur des tests micromécaniques récents, propres à quantifier la réponse plastique des silicates amorphes. On mesurera les caractéristiques des écoulements plastiques et en particulier leur localisation sous forme de bandes de cisaillement lors de l'indentation, et on établira leur relation à l'initiation de fractures. Une technique originale de mesure de biréfringence in situ sera développée pour permettre d'établir très directement une mesure expérimentale des champs de contraintes qui se développent pendant un cycle d'indentation. En s'appuyant sur ces résultats expérimentaux, une modélisation couplant méthode des éléments finis et champ de phase permettra d'établir des lois de comportement avancées capables de représenter l'apparition et le développement des bandes de cisaillement dans les silicates amorphes tandis qu'une approche par Dynamique Moléculaire permettra de mettre en relation les effets observés avec les caractéristiques structurales des verres considérés. Le couplage entre approche expérimentale et simulation multiéchelle permet d'envisager un progrès significatif de notre compréhension de la fissuration sous indentation des silicates amorphes d'intérêt technologique, tout en apportant des outils académiques originaux dans le domaine de l'endommagement et de la rupture.