Les interfaces (fronts de mouillage, fissures, etc...) se propageant dans un milieu hétérogène présentent des propriétés morphologiques et dynamiques dont la compréhension reste encore imparfaite. Nous avons monté une expérience de pelage où un front de fissure se propage à l'interface d'une lame de verre et d'un élastomère, le PDMS. La lame, préalablement recouverte d'une couche nanométrique de chrome, présente des zones bien définies où la surface de verre affleure. L'interface est ainsi rendue hétérogène par une modulation spatiale de l'énergie de fracture. L'utilisation des techniques de lithographie optique permet un très grand contrôle de la taille et la répartition des hétérogénéités. En réalisant des expériences de relaxation, les énergies de fracture des interfaces PDMS-Verre et PDMS-chrome sont mesurées. Les processus dissipatifs sont caractérisés et une équation du mouvement de la fissure est proposée. Nous caractérisons ensuite la réponse statique et dynamique du front vis-à-vis d'hétérogénéités élémentaires. Dans le cas de faible déformation, un bon accord avec l'élasticité de front introduite par Gao et al. est trouvé. Nous étudions, en détail, les effets de forts contrastes de fracture sur la forme du front. En particulier, il apparaît dans ce régime, un processus de filamentation dont nous caractérisons la dynamique. Des résultats préliminaires sur la relaxation de la déformation sont aussi présentés. Enfin une étude statistique du front se propageant dans une interface où un grand nombre de motifs de verre ont été répartis aléatoirement est présentée. Les fluctuations locales de la position du front en fonction du temps ainsi que la rugosité du front sont également traitées.

Dans cette thèse, j’ai conçu un nouveau test de rupture adapté à l’étude des matériaux fragiles sur une grande gamme de vitesse de fissure. Il a été mis en œuvre sur le PMMA, permettant de caractériser la transition entre un régime de rupture à grande vitesse v>vc=15 mms-1 avec des faciès optiquement plats et un autre régime pour v<vc avec une rugosité caractérisée par des motifs triangulaires. L’étude de la déformation du front dans le plan moyen de fissuration montre que le matériau est plus tenace à l’intérieur de ces triangles qu’à l’extérieur. Qui plus est, ces triangles sont décorés par de petits motifs en forme de toit d’usine, caractéristiques de l’instabilité de fragmentation sous mode I+III. Pour comprendre l’émergence de ces formes, nous revisitons tout d’abord les modèles de fragmentation en supposant que l’énergie de rupture dépend du cisaillement comme Gc(KIII/KI)=GcI[1+ (KIII/KI)2]. Le seuil de fragmentation (KIII/KI)thc ainsi prédit décroit significativement, réconciliant théorie et expérience. Le motifs triangulaires permettant de mesurer le paramètre exp à partir de la déformée du front et le degré de cisaillement (KIII/KI)exp par l’inclinaison des facettes qui est compatible avec la valeur de seuil prédite (KIII/KI)thc. A partir des valeurs exp et (KIII/KI)thc ainsi déterminées, nous prédisons que les facettes dérivent le long du front avec un angle compatible avec celui formé par les triangles. Cette compréhension fine de ces motifs nous permet donc de mettre en relation la transition rugueuse observée dans le PMMA avec l’instabilité de fragmentation et ouvre de nouvelles perspectives pour la compréhension de motifs similaires dans d’autres matériaux. / During this PhD thesis, a new fracture test geometry is designed for the accurate measurement of the fracture properties of brittle solids, subsequently applied to study failure in PMMA. At high crack speeds, their fracture surfaces are optically smooth. But below vc = 15 mms-1, a transition to rough surfaces occurs through the formation of puzzling triangular patterns. These patterns lead to significant toughening of the material that reflects through the pinned shape of the crack front as it crosses triangles. In addition, these triangles are found to be decorated by faceted features reminiscent of the crack front fragmentation instability in mode I+III. Assuming a shear-dependent fracture energy Gc(KIII/KI) = GcI[1+ (KIII/KI)2] we theoretically predict a fragmentation threshold (KIII/KI)thc that can be as low as a few percent while earlier models (that assumes = 0) predict a much larger value, inconsistent with various experimental observations. Applied to our experiments, this model allows us to measure exp from the deformation amplitude of the pinned front and the amount of applied shear (KIII/KI)exp from the facet inclination which is found to be compatible with the theoretically predicted threshold (KIII/KI)thc . Using the values (KIII/KI)exp and exp thus determined, one finally predict a drift of the facets from the propagation direction accounting for the triangle angle observed experimentally. To conclude, our study shows that the roughening transition in PMMA is a signature of front fragmentation under mode I+III. As a result, deciphering the triangular patterns at the transition led to significant improvements in the understanding of this instability.

L’Inconel 718 est un superalliage base nickel largement utilisé par les motoristes tels Safran Aircraft Engines pour l’élaboration des disques de turbine. Après forgeage des disques, un traitement de vieillissement appelé « Direct Aged » est appliqué. En service, le régime de croisière représente un temps de maintien sous chargement constant pour les disques. Bien que pas complètement compris, il est largement admis qu’un temps de maintien dans un cycle de fatigue a un effet néfaste sur le comportement en fissuration de l’Inconel 718 ainsi que d’autres superalliages. Cette étude porte donc sur la fissuration en fatigue-fluage dans l’Inconel 718 DA à 550°C et 650°C. Des essais sont menés pour des temps de maintien allant jusqu’à 1h. Des développements de la méthode de suivi de fissure par mesure de potentiel (DCPD) ont permis d’identifier la décharge-recharge (contribution de fatigue) d’un cycle de fatigue-fluage comme la partie la plus néfaste du cycle. L’application d’un temps de maintien amplifie cette contribution. Le temps de maintien induit également des fronts de fissure extrêmement courbes et tortueux, contrairement à de la fatigue pure. Une stratégie numérique a été développée, couplant la simulation 3D de la propagation et la méthode dite DCPD, permettant de réaliser des « essais numériques ». La propagation de fronts courbes et tortueux est simulée. Il a été démontré que le comportement en propagation est directement lié à la forme du front de fissure et son évolution. Des essais complexes ont été menés, sous vide, ou impliquant des surcharges. Lorsque l’effet du temps de maintien est annihilé, les morphologies complexes des fronts disparaissent. Elles sont alors associées à une inhibition locale de l’effet endommageant de l’environnement due à la plasticité et aux vitesses de déformation locales. Tous les essais présentés sont analysés en considérant l’effet de la vitesse de déformation locale qui influe largement le comportement en fissuration de l’Inconel 718. / Inconel 718 is a nickel-based superalloy widely used by aeroengines manufacturers like Safran Aircraft Engine to manufacture turbine disks. After forging, disks are given an ageing treatment called “Direct Aged”. In service, during cruise, these critical components handle hold-time periods at constant loading. It is well known, although not fully understood, that hold-time increases crack growth rates (CGR) in Inconel 718 as well as others superalloys. Therefore, this study focuses on crack propagation under hold-time conditions in DA Inconel 718, at 550°C and 650°C. Experiments were carried out for different hold-times, up to 1h. Developments on the crack monitoring technique (DCPD) led to the conclusion that the most damaging part of the cycle is load-reversal (fatigue contribution). This contribution is enhanced by the hold-time period. Holdtime leads to dramatically curved and tortuous crack front, contrary to pure fatigue cycles. A numerical framework was developed, combining crack growth and DCPD simulations, so that “numerical tests” can be carried out. Using this method, crack growth simulations were performed from curved and tortuous, experimentally reproduced, crack front. It was concluded that increased crack CGR under hold-time conditions are closely related to the crack front morphology and its evolution during propagation. More complex tests, with overloads or under vacuum, were carried out. When the hold-time effect is inhibited, complex morphologies vanish. Such morphologies were associated to local inhibition of the environmental damaging effect due to local high plastic strain and strain rates. The large variety of experiments, presented in this study, was then successfully analyzed considering the effect of local strain rates which greatly influence the crack growth behavior of Inconel 718.

L’assemblage par collage est une technique de plus en plus utilisée dans les industries aéronautique, aérospatiale et médicale. L’étude des assemblages est d’une grande importance et nécessite le développement de techniques de contrôle des performances, autant au niveau mécanique, que physico-chimique. Dans cette étude nous abordons plusieurs problématiques liées au collage. La première approche est purement mécanique, avec la mise au point d’un essai à simple levier ou « Single Cantilever Beam adhesion test » (SCB), variante du « Wedge test » dans lequel une charge constante est appliquée a une extremité libre d’un adhérent causant un moment de flexion nécessaire à la rupture du joint. A travers cet essai, différents phénomènes (pré-fissuration, plasticité, …) on été observés et traités afin d’analyser les énergies de ruptures dans le joint de colle.L’une des préoccupations majeures, et seconde approche de ce projet sur l’étude des assemblages collés, est le vieillissement humide. Les effets du vieillissement sont analysés par SCB. La compréhension du vieillissement doit passer par une meilleure connaissance de la cinétique de diffusion, une technique d’impédancemétrie, dérivée de l’électrochimie, est donc proposée pour analyser la prise d’eau dans le joint collé. L’atout de cette dernière technique est de donner accès à la cinétique de diffusion in situ et dans des géométries proches des échantillons utilisés lors des essais mécaniques. / Structural adhesives are increasingly used in the aeronautics, aerospace and medical industrie, leading to the necessity to develop new tools for the assessment of adhesives, both mechanically and physico-chemically.This study deals with two types of technique to quantify the durability of adhesive joints. The first approach is purely mechanical. We adopt a Single Cantilever Beam adhesion test (SCB) in which a constant load is applied at the free end of a flexible beam, leading to a couple inducing fracture of the adhesive joint. From this test, different phenomena have been observed (pre-crack behaviour, plasticity, ...), analysed and quantified, to give a better appraisal of adhesive fracture.The second approach deals with adhesive ageing in water. The characterisation of water diffusion is of prime importance in many practical situations. A technique of impedancemetry, based on electrochemical techniques, is applied to the characterisation of diffusion and absorption properties of adhesives. A major asset of this technique is to be able to follow diffusion measurement in situ.