Description du sujet de thèse

Le fonctionnement des failles, comme la propagation des fractures en milieu naturel, a lieu dans des milieux désordonnés, où des aspérités induisent ralentissements et accélérations. Dans des modèles et des expériences, on a mis en évidence que le comportement de la mécanique de fractures est dépendant, à la fois des distributions de ténacité des hétérogénéités sur le chemin de la fracture [1], et des fluctuations thermiques qui permettent à la fracture de franchir ces hétérogénéités [2]. La prise en compte de ces deux types de désordre, matériel et thermique, permet de rendre compte de nombreux aspects de la dynamique de fracture interfaciale, dans la statistique des évènements, et dans la dynamique rapide et la dynamique lente (asismique) [3,4,5]. On a mis en évidence, dans une géométrie de fracture en ouverture (mode I), que la libération d'énergie par effet Joule en pointe de fissure peut jouer un rôle majeur dans la transition de rupture lente (en régime sous-critique, dit de creep) à rupture rapide : dans certains cas, l'échauffement très localisé accélère considérablement la réaction de rupture à l'échelle moléculaire, source du comportement de rupture macroscopique.
La prise en compte de ces effets permet d'expliquer des phénomènes tels que la fractoluminescence dans le pelage de bandes adhésives, et la courbe de charge reliant taux de libération d'énergie G et vitesse de rupture v dans ce matériau, ou dans la rupture de PMMA [6]. Dans ce cadre, le passage d'une vitesse de déformation lente à une vitesse de rupture rapide correspond à une transition de phase du premier ordre.

Figure (sur https://ites.unistra.fr/websites/eost/ites/Pages_Perso/RenaudToussaint/PhDTopic-Sujetdethese-FractureandHeat-HotTips-Strasbourg3.pdf ) Gauche : fractoluminescence observée lors de la phase rapide de propagation du front de pelage d'un adhésif [6]. Droite : vitesse de fracture lors d'une propagation de rupture dans un matériau hétérogène, avec prise en compte de température finie (haut : simulation, bas : expérience – champ de 3 mm de large) [4].

On a également montré que le modèle construit permet de prédire le taux de libération d'énergie critique Gc (la résistance macroscopique) pour une très large gamme de matériaux à partir de l'observation de la déformation [7]. Il est également possible d'expliquer de façon générique la transition fragile-ductile de matériaux observée à la base de la croûte terrestre comme un point critique [8].
Des développements de ces modèles et des expériences d'application forment le sujet de thèse proposée:
D'un point de vue numérique, on étendra ce modèle en couplant à la fois la prise en compte des hétérogénéités matérielles (désordre gelé) et celle de chauffe en pointe de fissure (fluctuations temporelles). Ceci sera fait en étendant le modèle développé précédemment au laboratoire pour les deux configurations séparément.
D'autre part numériquement et théoriquement également, l'extension de ce type de modèle à la géométrie de mode II permettra d'explorer l'impact de ces différents types de désordre sur les instabilités de friction, à l'œuvre dans la dynamique des failles. On étudiera également l'influence sur la dynamique de l'évolution du champ de température dû au transport de chaleur, et ses conséquences sur la triboluminescence (émission de lumière durant le frottement), et sur les transitions de phase dans les minéraux. En effet, des phénomènes de « flash heating » sont observés durant la friction solide dans des roches, et les miroirs de faille sont couramment le lieu de phases minéralogiques particulières.
Expérimentalement, on confrontera ces modèles à plusieurs types d'expériences, conduites en collaboration à Lyon, Oslo et Saclay : on étudiera tout d'abord l'élévation de température de fracture de PMMA, ou de pelage d'adhésif, à Lyon. Durant ces expériences, les processus à l'œuvre seront résolus par trois techniques : suivi de la déformation latérale par caméra rapide et analyse de déformation (vélocimétrie par corrélation d'images), effet de chauffe observé latéralement par caméra à infrarouge, analyse des émissions de lumière et la température de pointe à l'aide d'un photomultiplicateur.
Le/la candidat·e aura un bon niveau en physique ou géophysique, numérique ou expérimentale. Il ou elle sera intéressé·e à développer des méthodes de mécanique, physique statistique, sciences de matériaux, et le souhait d'intégrer une équipe avec des collaborateurs internationaux. Le/la doctorant·e fera partie de l'Ecole Doctorale 413, Sciences de la Terre et de l'Environnement, Université de Strasbourg. La thèse aura lieu à l'ITES (http://ites.unistra.fr/), potentiellement en cotutelle avec l'Université d'Oslo, centre d'excellence PoreLab, the Njord center, Département de Physique.
Contacts (candidature ou renseignements) : renaud.toussaint@unistra.fr , http://ites.unistra.fr/renaud/, k.j.maloy@fys.uio.no

References:
Ca chauffe dans les fractures, communiqué du CNRS: http://www.cnrs.fr/inp/spip.php?article5099
1. Tallakstad, K.T., R. Toussaint, S. Santucci, J. Schmittbuhl, K.J. Måløy, Local dynamics of a randomly pinned crack front during creep and forced propagation: An experimental study, Physical Review E, 2011
2. O. Lengliné, R. Toussaint, J. Schmittbuhl, J.E. Elkhoury, J.-P. Ampuero, K.T. Tallakstad, S. Santucci, K.J. Måløy Average crack-front velocity during subcritical fracture propagation in a heterogeneous medium, Physical Review E, 84, 036104, 2011
3. Toussaint, R., O. Lengliné, S. Santucci, T. Vincent-Dospital, M. Naert-Guillot, and K.J. Måløy. How cracks are hot and cool: a burning issue for paper, Soft Matter, 12, 5563-5571, 2016. DOI: 10.1039/C6SM00615A
4. Cochard, A., O. Lengliné, K.J. Måløy, R. Toussaint, Thermally activated crack fronts propagating in pinning disorder: simultaneous brittle/creep behaviour depending on scale, Philosophical Transactions of the Royal Society A 377 (2136), 20170399, 2019
5. Vincent-Dospital, T., A. Cochard, S. Santucci, K.J. Måløy, R. Toussaint, Thermally activated intermittent dynamics of creeping crack fronts along disordered interfaces, Scientific Reports, 11, 20488, 2021a
6. Vincent-Dospital, T., Toussaint, R., Santucci, S., Vanel, L., Bonamy, D., Hattali, L., Cochard, A., Flekkøy, E.G. & Måløy, K. J. How heat controls fracture: the thermodynamics of creeping and avalanching cracks. Soft Matter, 16(41), 9590-9602, 2020a.
7. Vincent-Dospital, T., R. Toussaint, A. Cochard, E.G. Flekkøy, & K.J. Måløy. Thermal dissipation as both the strength and weakness of matter. A material failure prediction by monitoring creep. Soft Matter, 2021, 17, 4143-4150. DOI: 10.1039/D0SM02089C 2021b
8. Vincent-Dospital, T., R. Toussaint, A. Cochard, K.J. Måløy, E.G. Flekkøy.Thermal weakening of cracks and brittle-ductile transition of matter: A phase model. Physical Review Materials 4 (2), 023604, 2020b

Contexte de travail

Thèse à l'Université de Strasbourg, ITES Institut Terre et Environnement de Strasbourg, UMR7063 CNRS / Université de Strasbourg / ENGEES. Cette thèse est entièrement financée dans le cadre de l'ANR HotTips, collaboration entre l'Université de Strasbourg (ITES), le Laboratoire de Physique de l'ENS de Lyon, l'Institut Lumière Matière de l'Université de Lyon I, le groupe SPHYNX du CEA de Saclay, et le centre d'excellence Porous Media Laboratory, Njord, Institut de Physique de l'Université d'Oslo (Norvège).
La thèse sera conduite dans l'équipe Géophysique, Imagerie et Processus, sous la direction de Renaud Toussaint (DR CNRS, ITES), avec coencadrement d'Alain Cochard (MCF Unistra, ITES), Stéphane Santucci (DR CNRS, LP-ENS de Lyon) et K.J. Maloy (Pr. de Physique, Université d'Oslo), en collaboration avec les autres partenaires. Une cotutelle avec l'Université d'Oslo est possible.

Contraintes et risques

Pas de contrainte ou risque particulier