Dynamic failure precursors in soft matter

par Stefano Aime

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Luca Cipelletti et de Laurence Ramos.

Soutenue le 14-09-2017

à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Précurseurs dynamiques de la défaillance dans la matière molle


  • Résumé

    La fracture des matériaux, omniprésente aussi bien en science des matériaux qu’en géologie, implique souvent des événements soudains et imprévisibles, sans précurseurs détectables macroscopiquement. Une compréhension approfondie des mécanismes microscopiques conduisant in fine à la rupture est requise, mais les expériences restent rares. La détection de la dynamique microscopique dans les échantillons cisaillés est expérimentalement très difficile, car elle nécessite de combiner sensibilité mécanique, qualité optique et exigences strictes sur l’encombrement. Dans ce travail, nous présentons l'une des premières tentatives réussies de mesure des précurseurs microscopiques de fracture dans des matériaux mous modèles, grâce à des mesures de la plasticité microscopique à l'aide d'un nouvel instrument, couplant une cellule de cisaillement à contrainte contrôlée à un appareil de diffusion de lumière statique et dynamique (DLS) à petits angles. Dans un premier temps, nous montrons théoriquement, numériquement et expérimentalement comment la DLS, une technique très puissante difficile à utiliser pour un échantillon sous cisaillement, peut être utilisée comme outil de mesure de la dynamique microscopique dans les systèmes mous sous cisaillement. Pour un solide parfait et un fluide visqueux simple, le champ de déplacement résultant d'une déformation de cisaillement est purement affine. Nous montrons comment les déplacements affines et non affines, qui sont présents dans de nombreuses situations d’intérêt (matériaux élastiquement hétérogènes ou en raison de réarrangements plastiques) peuvent être évalués séparément par DLS et discutons de l'effet des non-idéalités dans des expériences typiques.Ce travail est centré sur un gel colloïdal fractal modèle, dont nous caractérisons la rhéologie linéaire en loi de puissance. Nous montrons que celle-ci est décrite par un modèle phénoménologique Fractional Maxwell (FMM), et discutons la relation possible entre FMM et la structure microscopique du gel.Sous une contrainte de cisaillement constante (expérience de fluage), le gel colloïdal présente une déformation rapide élastique suivie d'un fluage lent en loi de puissance, puis, après plusieurs heures par une accélération du taux de cisaillement, entraînant la rupture retardée du gel. Nos expériences montrent que le premier régime en loi de puissance, bien décrit par la viscoélasticité linéaire, correspond à l'échelle microscopique à une dynamique partiellement nonaffine, mais entièrement réversible. Lorsque la viscoélasticité dévie de la linéarité, une accélération nette, localisée dans le temps de la dynamique non-affine, est observée. Ces réarrangements rapides précèdent la fracture macroscopique du gel de plusieurs heures: ce sont des précurseurs dynamiques de la fracture qui permettent de prédire l’évolution du gel bien avant toute mesure rhéologique.Pour obtenir une image plus complète de la fracture, nous étudions l'apparition de l'irréversibilité lors d’une perturbation cyclique répétée plusieurs fois (expérience de fatigue). En suivant l'évolution stroboscopique du système en fonction de la déformation cumulée, on constate que, au-delà du régime linéaire, le taux de relaxation augmente brusquement, signature de plasticité. Si la contrainte appliquée est suffisamment grande, le gel à long terme montre une rupture retardée, en analogie avec celle observée en fluage. Les différences et similitudes entre les deux mécanismes de fracture sont discutées.Enfin, la généralité des résultats obtenus sur les gels colloïdaux est vérifiée en étudiant comme second système modèle un verre colloïdal, dont la mise en écoulement sous contrainte oscillante est un processus progressif, pour lequel deux modes de relaxation contribuent à la dynamique observée. Les analogies qualitatives trouvées avec des systèmes similaires (par ex. des émulsions concentrées) suggèrent qu'une image unifiée pourrait être obtenue, motivant des recherches futures.


  • Résumé

    Material failure is ubiquitous, with implications from geology to everyday life and material science. It often involves sudden, unpredictable events, with little or no macroscopically detectable precursors. A deeper understanding of the microscopic mechanisms eventually leading to failure is clearly required, but experiments remain scarce. The detection of microscopic dynamics in samples under shear is experimentally very challenging, because it requires to combine the highest mechanical sensitivity to strict requirements on the geometry of the whole setup and on the quality of the optical interfaces. In this work we present one of the first successful attempts to measure microscopic failure precursors in model soft solids. Here, microscopic plasticity under shear is observed using a novel setup, coupling a custom-made stress controlled shear cell to small angle static and dynamic light scattering (DLS).DLS is a very powerful technique, but its application to materials under shear is not trivial. In a first step we show a theoretical, numerical and experimental investigation of how DLS may be used as a tool to measure the microscopic dynamics in soft systems under shear. In ideal solids and simple viscous fluids, the displacement field resulting from an applied shear deformation is purely affine. Additional non-affine displacements arise in many situations of great interest, for example in elastically heterogeneous materials or due to plastic rearrangements. We show how affine and non-affine displacements can be separately resolved by DLS, and discuss the effect of several non-idealities in typical experiments.As a model system, this work mainly focuses on a fractal colloidal gel. We thoroughly characterize the linear power-law rheology of the gel, we show that it is very accurately described by the phenomenological Fractional Maxwell (FM) model, and we discuss the possible relationship between the FM model and the microscopic structure of the gel.Under a constant shear stress (creep experiment), the colloidal gel exhibits a fast, elastic deformation followed by a slow sublinear power-law creep, which is eventually interrupted after several hours by an upturn in the shear rate, leading to the delayed failure of the material. Our experiments show that the first power-law regime, nicely described by linear viscoelasticity, corresponds at the microscopic scale to partially nonaffine, yet fully reversible dynamics. Upon deviation from the linear viscoelasticity, a sharp acceleration, localized in time of the nonaffine dynamics is observed. These faster rearrangements precede the macroscopic failure of the gel by thousands of seconds: they thus are dynamic precursors of failure that allow one to predict the fate of the gel well before any rheological measurement.To obtain a more comprehensive picture of material failure, we next address the onset of irreversibility under a cyclic perturbation repeated many times (fatigue experiment). By following the stroboscopic evolution of the system as a function of the cumulated deformation, we observe that as soon as the shear amplitude is increased beyond the linear regime the relaxation rate increases abruptly, indicating that irreversible plasticity is at play. If a large enough stress amplitude is applied, the system on the long run displays delayed fatigue failure, with reminiscences of the one observed in creep. Differences and similarities between the two failure mechanisms are discussed.Finally, the generality of the results obtained on colloidal gels is checked by investigating as second model system a soft colloidal glass. In this case, our experiments indicate that oscillatory yielding is a gradual process, where two relaxation modes contribute to the observed dynamics. Qualitative analogies found with similar systems (e.g. concentrated emulsions) suggest that a general picture might be obtained with our study, which motivates ongoing and future investigations.


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