L’analyse des précurseurs révèle la nature de la rupture des matériaux
La rupture des matériaux est précédée d’évènements acoustiques dont l’origine est mal comprise. En suivant l’endommagement de matériaux modèles sous compression, les chercheurs de l’Institut Jean le Rond d’Alembert ont déchiffré ces signaux, montrant qu’ils permettaient de prédire la rupture. Ce travail, publié dans Physical Review X, fournit également les clés permettant de comprendre la nature intermittente des phénomènes de rupture.
La rupture des matériaux sous compression qui se manifeste par l’apparition d’une bande de cisaillement demeure un phénomène mal compris.
D’une part, l’apparition de cette bande de localisation a été décrite comme une instabilité quand il s’agit de prédire le seuil de rupture ou encore l’inclinaison de la bande de cisaillement. Mais d’autres part, elle est décrite comme un phénomène critique quand il s’agit d’expliquer le caractère fractal des évènements précurseurs, et notamment la statistique invariante d’échelle de l’activité acoustique précédant la rupture.
Pour élucider cette apparente contradiction, des chercheurs de l’Institut Jean le Rond d’Alembert ont déchiffré la structure spatio-temporel des précurseurs à la rupture observés lors d’expériences réalisées sur des matériaux cellulaires bi-dimensionnels. Leur étude a révélé que les précurseurs sont constitués de cascades d’évènements d’endommagement qui se suivent les uns à la suite des autres, tels des dominos. Ces cascades s’expliquent par un modèle de ligne élastique se propageant dans un milieu désordonné à son seuil de dépiégeage, un phénomène critique contrôlé par le désordre du matériau. Toutefois, l’intensification des ces évènements précurseurs à l’approche de la rupture s’explique par la perte de stabilité du matériau à l’approche de sa rupture, un phénomène relevant de la théorie des bifurcations des milieux homogènes.
Au-delà de démêler un long débat sur la nature complexe de la rupture des matériaux, cette découverte a des applications importantes pour le suivi de la santé mécanique des structures. Les précurseurs peuvent désormais être utilisé pour déterminer la durée de vie résiduelle d’un matériau en service, un problème critique pour planifier la maintenance des équipements dans l’industrie. Ces travaux fournissent également une compréhension fine des phénomènes d’instabilité en présence de désordre et l’origine de la statistique si particulière des précurseurs.
Références
Mayya, A., Berthier, E., & Ponson, L. (2023). How criticality meets bifurcation in compressive failure of disordered solids. Physical Review X, 13(4). https://doi.org/10.1103/physrevx.13.041014
Contact
Laurent Ponson
Institut Jean Le Rond D’Alembert