Glass Breaks like Metal, but at the Nanometer Scale

Célarié, Fabrice; Prades, Silke; Bonamy, Daniel; Ferrero, Laura; Bouchaud, Élisabeth; Guillot, Claude; Marlière, C.

doi:10.1103/physrevlett.90.075504

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“…This clearly reveals the presence of cavities of typically 20 nm in length and 5 nm in width ahead of the crack tip (Fig. 6a) [20].…”

Section: Evidence Of Nanometric Cavities Ahead Of the Crack Tipmentioning

confidence: 99%

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Crack fronts and damage in glass at the nanometre scale

Marlière

Prades²,

Célarié³

et al. 2003

J. Phys.: Condens. Matter

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Abstract. We have studied the low speed fracture regime for different glassy materials with variable but controlled length scales of heterogeneity in a carefully mastered surrounding atmosphere. By using optical and atomic force microscopy (AFM) techniques we tracked in real-time the crack tip propagation at the nanometer scale on a wide velocity range (10 −3 − 10 −12 m/s and below). The influence of the heterogeneities on this velocity is presented and discussed. Our experiments reveal also -for the first time -that the crack progresses through nucleation, growth and coalescence of nanometric damage cavities within the amorphous phase. This may explain the large fluctuations observed in the crack tip velocities for the smallest values. This behaviour is very similar to what is involved, at the micrometric scale, in ductile fracture. The only difference is very likely due to the related length scales (nanometric instead of micrometric). Consequences of such a nano-ductile fracture mode observed at a temperature far below the glass transition temperature, T g , in glass is finally discussed.

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“…This clearly reveals the presence of cavities of typically 20 nm in length and 5 nm in width ahead of the crack tip (Fig. 6a) [20].…”

Section: Evidence Of Nanometric Cavities Ahead Of the Crack Tipmentioning

confidence: 99%

“…4 exhibit important fluctuations -of the order of the average velocity -for both specimens [19]. Consequently, they cannot be related to the crystalline Open circles (resp.…”

Section: Crack Tip Velocitymentioning

confidence: 99%

Crack fronts and damage in glass at the nanometre scale

Marlière

Prades²,

Célarié³

et al. 2003

J. Phys.: Condens. Matter

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“…One aspect missing from the crack line model is the nucleation of voids in front of the main crack, an effect that has been shown to occur experimentally [21]. In this perspective, disordered lattice models appear to be more appropriate to describe the phenomenon.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Crack roughness and avalanche precursors in the random fuse model

2005

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We analyze the scaling of the crack roughness and of avalanche precursors in the two dimensional random fuse model by numerical simulations, employing large system sizes and extensive sample averaging. We find that the crack roughness exhibits anomalous scaling, as recently observed in experiments. The roughness exponents (ζ, ζ loc ) and the global width distributions are found to be universal with respect to the lattice geometry. Failure is preceded by avalanche precursors whose distribution follows a power law up to a cutoff size. While the characteristic avalanche size scales as s0 ∼ L D , with a universal fractal dimension D, the distribution exponent τ differs slightly for triangular and diamond lattices and, in both cases, it is larger than the mean-field (fiber bundle) value τ = 5/2.

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“…Les observations réalisées à l'échelle du nanomètre en microscopie à force atomique révèlent un tout autre mécanisme [4]. Elles sont résumées sur la figure 2.…”

Section: Mise En éVidence De Cavités D'endommagement Nanométriques Daunclassified

La rupture du verre au travers d’un microscope

Bonamy

Bouchaud

2006

Reflets phys.

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Comprendre la rupture des matériaux n'est pas une mince affaire ! Lorsqu'une fissure commence à apparaître, on peut en effet montrer qu'elle concentre les forces à sa pointe. C'est donc au voisinage de ce point, sur une zone d'extension très petite, que les processus physicochimiques de rupture et d'endommagement sont activés. Ceux-ci dépendent crucialement de la structure du matériau à des échelles très petites. Les théories classiques rendent compte de ces mécanismes à travers des lois de comportement phénoménologiques, et distinguent les modes de rupture « fragilesEt pourtant, qu'on analyse la surface rugueuse qui résulte de la rupture d'un acier ou celle, parfaitement lisse « à l'oeil », d'un verre (on parle de « zone miroir » !), on observe les mêmes caractéristiques [3]. Bien entendu, il faut utiliser la bonne loupe pour s'en rendre compte, et grossir mille fois plus la surface du verre que celle du métal. Si, dans ce dernier cas, l'instrument le plus adapté est un microscope à balayage, la surface de rupture du verre, en revanche, ne pourra être explorée qu'avec un microscope à force atomique capable de détecter des dénivellations de l'ordre de l'angström (0,1 nm) sur une surface de quelques nanomètres carrés.Nous avons montré récemment que la similitude entre rupture du verre et rupture du métal ne s'arrêtait pas là, et que, contrairement à ce qu'implique la classification classique, la ductilité (ou la fragilité) pourrait bien n'être qu'une question d'échelle. Dispositif expérimentalNos expériences ont consisté à suivre, avec un Microscope à Force Atomique (« AFM », voir encadré 2), la pointe d'une fissure au cours de sa propagation dans du verre. Pour qu'on arrive à la suivre, la fissure doit aller très lentement. Les différents modes de ruptureLa manière dont une fissure concentre les forces en sa pointe est à l'heure actuelle bien comprise. Il existe en particulier un cadre théorique unifié, la Mécanique Élastique Linéaire de la Rupture (MELR), qui permet d'évaluer le flux d'énergie mécanique en pointe de fissure dans n'importe quelle géométrie. La manière dont la fissure s'étend en réponse à ce flux est, en revanche, beaucoup plus mystérieuse. On distingue :Le mode de rupture dit fragile. Le front de fissure se propage par ruptures successives des liaisons chimiques en sa pointe, là où se trouvent les tensions les plus importantes. Ce mode de rupture s'observe en particulier dans des matériaux très homogènes et décrit, par exemple, le clivage d'un cristal parfait, ou -comme on le pensait jusqu'ici -la rupture du verre. La résistance à la rupture du matériau est prédite par le critère de Griffith : l'énergie mécanique concentrée en tête de fissure sert uniquement à créer deux nouvelles surfaces. Dans ce cas idéal, il n'y a aucune dissipation et la pointe de la fissure reste atomiquement fine. On conserve jusqu'à la rupture (voir courbe contrainte/déformation ci-dessous) une relation linéaire entre contrainte et déformation.Le mode de rupture dit ductile. Dans ce cas, au contraire, la majeure partie ...

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Glass Breaks like Metal, but at the Nanometer Scale

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Crack fronts and damage in glass at the nanometre scale

Crack fronts and damage in glass at the nanometre scale

Crack roughness and avalanche precursors in the random fuse model

La rupture du verre au travers d’un microscope

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