Corrosion sous contrainte du verre : régions de vitesses élevées de propagation de fissure sous critique // Sub-critical crack growth in oxide glasses

Les verres d’oxydes sont utilisés dans un grande variété d’applications industrielles en raison de leurs multiples propriétés avantageuses : transparence optique, bonnes propriétés mécaniques et thermiques, durabilité chimique, biocompatibilité et bioactivité. Cependant, un inconvénient majeur de ces verres est leur fragilité. La fracture dynamique du verre (vitesse de propagation de fissure ~km/s, comme dans le cas d’un verre tombant par terre et se brisant) en est un exemple bien connu. Il existe également un autre mode de fracture prépondérant et plus lent (10e-11 à 10e2 m/s). La vitesse de propagation de ces fissures sous-critiques est pilotée par la contrainte locale ressentie en pointe de fissure, appelée facteur d’intensité de contraintes et dépend des conditions environnementales, incluant l’humidité de l’air et la température.

Actuellement, notre dispositif expérimental permet de suivre la position du front de fissure au cours du temps grâce à un microscope tubulaire doté d’une caméra. Le traitement des images acquises permet de déterminer la vitesse du front de fissure et révèle la limite environnementale et la région I. Cependant, capturer les régions II et III n'est pas possible avec le dispositif actuel. Plusieurs raisons concourent à cette limitation : la vitesse élevée du front de fissure (10e-4 to 1500 m/s), la taille de l'échantillon (5×5×25 mm^3), la vitesse d’acquisition des caméras, etc.

Notre équipe a utilisé la technique de la chute de potentiel pour évaluer la vitesse du front de fissure lorsque v > 10e-4 m/s dans le PMMA. Cette méthode consiste à déposer une série de bandes conductrices parallèles à la surface d’un échantillon et d’utiliser un oscilloscope (haute fréquence) pour identifier quand le front de fissure sectionne les bandes conductrices ce qui conduit à un saut dans la résistance électrique. Nous souhaitons maintenant adapter cette technique aux échantillons DCDC de verres d'oxyde. L'objectif de la thèse est de développer et d’appliquer cette technique de chute de potentiel aux échantillons DCDC. Le défi est d’accéder aux variations fines de la vitesse de fissuration avec des résolutions en espaces et en temps de l’ordre de 50 microns et de la nanoseconde. L'étudiant en thèse participera à toutes les étapes de la réalisation des expériences : conception et dépôt des bandes conductrices parallèles sur la surface de l’échantillon en verre en utilisant une salle blanche, réalisation d'expériences de corrosion sous contraintes (CSC) dans les Régions II et III, et analyse des données acquises pendant l'expérience de CSC.
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Material failure is a concern for scientists and engineers worldwide. This includes oxide glasses, which are integral parts of building, electronics, satellites due to multiple advantageous features, including optical transparency, elevated mechanical and thermal properties, chemical durability, biocompatibility and bioactivity, etc. Despite this, oxide glasses have a significate drawback: they are inherently brittle. Oxide glasses are well known to undergo dynamic fracture (crack propagation velocity of ~km/s – as in the case of a glass crashing to the floor and shattering); yet, there is another fracture mode less noticeable that will be studied during this thesis, where crack fronts grow sub-critically. The growth of these crack fronts is aided by environmental parameters including atmospheric humidity and temperature, and the crack front velocity depends on the local stress felt by a crack tip, coined the stress intensity factor.

Currently, our experimental setup tracks the crack front position in time via a tubular microscope equipped with a camera. Post-analysis of images provides the crack front velocity and reveals the environmental limit K_e and region I. However, the current experimental setup cannot capture regions II and III. Several factors play into this limitation: elevated crack front velocity (10e-4 to 1500 m/s), sample size (5×5×25 mm^3), camera acquisition rates, etc.

In recent years, our team has used the potential drop technique to track the crack front velocity when v > 10e-4 m/s in PMMA. This technique involves the deposition of conductive strips on the sample surface. Subsequently, these lines are attached to a high frequency oscilloscope. As the crack front propagates through the sample, the lines are severed resulting in an increase in the electrical resistance. We now wish to adapt this technique to DCDC samples on oxide glasses. The thesis goal is the development and application of the potential drop techniques to DCDC samples. The challenge concerns the spatial temporal resolution (50 µm and 1 ns) in comparison to the crack tip velocity and sample size. The thesis student will take part in all the steps to realize the experiments: designing and depositing patterns (series of strips) on the glass surfaces using a cleanroom, running sub-critical cracking experiments in Region II and III, and analyzing data acquired during the experiment.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service de Physique de l’Etat Condensé
Laboratoire : Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes
Date de début souhaitée : 01-10-2025
Ecole doctorale : Physique en Île-de-France (EDPIF)
Directeur de thèse : ROUNTREE Cindy
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX
URL : https://iramis.cea.fr/spec/sphynx/pisp/laure-chomat-2/
URL : https://iramis.cea.fr/spec/sphynx/
URL : https://iramis.cea.fr/spec/sphynx/pisp/cindy-rountree-2/

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service de Physique de l’Etat Condensé