Effectuer des tests de coupe en forme de Y montés sur microscope

La mécanique du continuum non linéaire a fourni une lentille critique à travers laquelle comprendre la concentration d’énergie qui conduit à la défaillance dans les solides mous¹. Cependant, la prévision précise de cette défaillance nécessite également des descriptions des caractéristiques microstructurales qui contribuent à la création de nouvelles surfaces à l’extrémité de la fissure ^2,3. Une méthode pour aborder de telles descriptions consiste à visualiser in situ la pointe de la fissure lors de la rupture ^4,5. Cependant, l’émoussement des fissures dans les tests de rupture en champ lointain typiques rend difficile l’acquisition de données in situ en étalant le matériau hautement déformé, potentiellement en dehors du champ de vision^{du microscope 6}. La découpe en Y offre une alternative unique pour la visualisation microstructurale car elle concentre la région de grande déformation à l’extrémité d’une lame⁷. En outre, des travaux antérieurs de notre groupe démontrent que cette approche expérimentale unique peut donner un aperçu des différences de réponse à la défaillance entre les conditions de déchirure en champ lointain et les conditions de charge médiées par contact⁷.

La méthode de découpe en forme de Y utilisée dans l’appareil présenté ici a été décrite pour la première fois il y a des décennies comme une méthode de coupe pour le caoutchouc naturel⁸. La méthode consiste en une lame fixe poussée à travers une éprouvette préchargée en forme de Y. À l’intersection du « Y » se trouve la pointe de la fissure, qui est créée avant l’essai en divisant une partie d’une pièce rectangulaire en deux « jambes » égales (figure 1B et figure 2D). Les principaux avantages de cette méthode de découpe comprennent la réduction des contributions de frottement à l’énergie de coupe mesurée, la géométrie variable de la lame (c.-à-d. contrainte de la géométrie de la pointe de fissure), le contrôle du taux de défaillance (via le taux de déplacement de l’échantillon) et le réglage séparé des contributions énergétiques de coupe, C, et de déchirure, T, à l’énergie totale G_coupée (c.-à-d. modification de l’énergie de défaillance au-delà d’un seuil de coupe)⁸. Ces dernières contributions sont exprimées dans une expression simple et fermée pour l’énergie de coupe⁹

Eqn (1)

qui utilise des paramètres sélectionnés expérimentalement, y compris l’épaisseur de l’échantillon, t, la déformation moyenne des jambes, la force de précharge, f_pré, et l’angle entre les jambes et l’axe de coupe, θ. La force de coupe, f_coupée, est mesurée avec l’appareillage comme détaillé dans Zhang et al.9. Notamment, l’appareil présenté ici comprend un nouveau mécanisme simple et précis pour régler l’angle de la jambe, θ, et s’assurer que l’échantillon est centré. Bien que ces deux caractéristiques soient essentielles pour une installation montée sur microscope, le mécanisme peut également bénéficier aux futures implémentations verticales du test de coupe en forme de Y en augmentant la facilité d’utilisation.

Les progrès dans la détermination des critères de défaillance appropriés pour les solides mous sont en cours depuis le succès précoce des géométries de fracture indépendantes de l’échantillon introduites par Rivlin et Thomas¹⁰. Les taux de libération d’énergie critique 10, les lois de zone cohésive¹¹ et diverses formes d’approches de contrainte ou d’énergie à distance^12,13,14 ont été utilisées. Récemment, Zhang et Hutchens ont tiré parti de cette dernière approche, démontrant que la coupe en forme de Y avec des lames de rayon suffisamment petites pouvait donner des conditions de rupture seuil pour la rupture molle⁷: une énergie de rupture de seuil et une échelle de longueur de seuil pour la défaillance allant de dizaines à des centaines de nanomètres dans un polydiméthylsiloxane homogène et hautement élastique (PDMS). Ces résultats ont été combinés à la modélisation du continuum et à la théorie de la mise à l’échelle pour développer une relation entre la coupe et la déchirure dans ces matériaux, démontrant ainsi l’utilité de la découpe en forme de Y pour fournir des informations sur tous les modes de défaillance douce. Cependant, le comportement de nombreuses classes de matériaux, y compris les matériaux dissipatifs et composites, reste inexploré. On s’attend à ce que bon nombre d’entre eux présentent des effets régis par la microstructure à des échelles de longueur supérieures à la longueur d’onde de la lumière visible. Par conséquent, un appareil a été conçu dans cette étude qui permet de caractériser visuellement de près ces effets lors de la coupe en forme de Y pour la première fois (par exemple, dans les composites, y compris les tissus mous, ou des processus dissipatifs, anticipés sur les échelles de longueur micrométrique à millimétrique¹⁵).