The self-organized criticality as an explanation of fatigue failure for shape memory alloys

Evolution de la criticalité comme indicateur de fatigue pour les alliages à mémoire de forme

Clement Dunand-Chatellet (1)

1 MS - Matériaux et Structures

In this thesis we put forward a new set of ideas to open the way to experimentally distinguish various stages in the micro-development of fatigue using the framework of the self-organized criticality (SOC). The demonstration is made that the fatigue process belongs to this class of systems and the SOC theory is used to build quantifiers that describe the dissipative regime of the material. The approach, to build these predictors, is based on the study of the multi-scale statistical structure of the intermittent acoustic signal generated by the cyclically loaded sample. The originality of the analysis lies in the interpretation of the statistics in the framework of SOC that enables to draw parallels with a wide range of natural phenomena. The main discoveries of the thesis are that acoustic emissions permit to reveal different dissipative regimes in the fatigue of shape memory alloys and each of these regimes is characterized by a different energy- time structure that is well illustrated through the SOC formalism and the associated power-law distributions. The proofs are also given that the same critical dynamics can hold from the large scale of earthquakes down to the microscopic scale of the sample structure.

A travers cette thèse, nous envisageons de distinguer expérimentalement les différents stades intervenant dans le micro-développement de la fatigue à travers le concept de criticalité auto-organisée (SOC). Nous démontrons que le processus d'endommagement par fatigue appartient à cette classe de systèmes et la théorie de la SOC est utilisée pour construire des indicateurs du régime dissipatif du matériau. Ces indicateurs sont construits à partir de l'étude de la structure statistique multi-échelle des signaux acoustiques intermittents générés par le chargement cyclique d'une éprouvette. L'originalité de la démarche tient dans l'interprétation des statistiques à travers le cadre de la SOC qui permet la comparaison avec de nombreux phénomènes naturels. Cette thèse a permis de révéler différents régimes dissipatifs dans la fatigue des alliages à mémoire de formes au moyen d'enregistrements acoustiques et de montrer que chacun de ces régimes est décrit par une structure temps-énergie spécifique illustrée à travers le concept de SOC et les distributions en loi puissance associées. Enfin, une analyse multi-échelle est menée pour souligner qu'une même dynamique critique peut s'appliquer de l'échelle des tremblements de terre à l'échelle microscopique d'une éprouvette.

Mots clés: Self organized criticality; shape memory alloys; fatigue failure; scale invariance

Mots clés: rupture par fatigue; invariance d'échelle; Criticalité auto organisée; alliages à mémoire de forme

Domaines: Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]

Clement Dunand-Chatellet. The self-organized criticality as an explanation of fatigue failure for shape memory alloys. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Ecole Polytechnique X, 2012. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00705246⟩