Casser ou fluer ? Telle est la question !

Comment se fait-il que certains matériaux rompent brutalement, quand d’autres se déforment doucement et de façon ductile ? Pourquoi un même matériau, porté à différentes températures, peut présenter ces deux comportements ? Si cette question est fondamentale pour nombre d’ingénieurs, c’est aussi un point important en sciences de la Terre : les séismes destructeurs sont souvent générés par la rupture de roches superficielles relativement froides de la croûte terrestre, plutôt que par celle de roches plus profondes, et donc plus chaudes et plus ductiles. Nous proposons ici une explication physique à ce phénomène.

Les solides se déforment grâce à la propagation de micro-fissures et de défauts. Ces fractures, quand elles se propagent, dégagent de la chaleur : plus vite elles progressent, plus elles chauffent. Mais en réponse, des fissures dont la température augmente ont tendance à accélérer, car la rupture des liens moléculaires en pointe de rupture est alors favorisée. Le phénomène peut alors s’amplifier, menant à un emballement thermique dans le processus de fracturation, lorsque la température d’une fissure vient dépasser significativement la température ambiante. Dans le cas contraire, si la chauffe reste limitée, chaque fissure n’accélère que progressivement lorsque le chargement mécanique augmente : le matériau flue et la déformation est ductile. Nous décrivons ainsi la rupture comme une transition de phase, similaire à celle expliquant la fonte ou le gel de l’eau par exemple, et qui alors, dépend des propriétés thermiques de la matière.