Étude expérimentale de la dynamique d’endommagement microscopique accompagnant la rupture dynamique du PMMA

Experimental study of the dynamics of microscopic damage during fracture in PMMA

¹ CEA, IRAMIS, SPCSI, Grp. Systèmes Complexes & Fracture, 91191 Gif-sur-Yvette, France
² Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes, CNRS, École Centrale Lyon, 69134 Écully Cedex, France
³ Laboratoire « Surface du Verre et Interfaces » (SVI), UMR CNRS/Saint-Gobain, 93303 Aubervilliers Cedex, France

^a Auteur pour correspondance : davy.dalmas@saint-gobain.com

Reçu : 25 Avril 2011
Accepté : 23 Mai 2011

Résumé

Dans les matériaux fragiles, la mécanique linéaire élastique de la rupture (MLER) prédit une énergie de fracture constante et une vitesse de fissuration limitée par la vitesse de Rayleigh (C_R). Or un grand nombre d’expériences contredisent ces prédictions. Pour comprendre ce désaccord, nous avons développé un dispositif de rupture dynamique dans un matériau fragile modèle – le PMMA. Nous montrons l’existence d’une divergence de l’énergie de fracture à 0,2 C_R due à une transition fragile/quasi-fragile. Nous suggérons qu’un modèle géométrique pourra aider à mieux comprendre la dynamique de propagation et d’endommagement.

Abstract

Crack propagation is the fundamental mechanism responsible for catastrophic breakdown of brittle materials, and is usually described by the linear elastic fracture mechanics theory. However, this theoretical framework is only relevant to slow crack propagation and fails at high velocities. In particular, it accounts neither for the experimentally observed maximal crack velocities, nor for the roughness of the post-mortem fracture surfaces. In order to investigate these phenomena, we have designed an experimental setup that allows studying the fracture mechanisms in a model brittle material, namely PMMA, over a wide range of velocities at small space and time scales. This apparatus has enabled us to evidence a new critical velocity beyond which crack propagation is accompanied by microscopic damage through the nucleation and growth of microcracks ahead of the front. The analysis of the morphology of the fracture surfaces suggests that a purely geometric model could account for the conic marks observed. Applying such model to real fracture surfaces might shed light on the mechanisms of microcracking damage spreading and revisit the origin of the discrepancy between theory and experiments at large fracture velocities.