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Article

1 - CONTACT, FROTTEMENT ET ENDOMMAGEMENT DES VERRES SILICATÉS

2 - STRATÉGIES DE MODIFICATION DE LA SURFACE DES VERRES – RÉDUCTION DE L’ENDOMMAGEMENT

3 - COUPLAGE ENTRE FROTTEMENT ET RÉACTIVITÉ DE SURFACE – TRIBOCHIMIE

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : TRI4575 v1

Contact, frottement et endommagement des verres silicatés
Tribologie des verres silicatés - Frottement et endommagement superficiel

Auteur(s) : Étienne BARTHEL, Jean-Pierre GUIN

Date de publication : 10 déc. 2016

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RÉSUMÉ

L'endommagement de surface est à l'origine de la fragilité des verres silicatés. Partant de ce constat bien connu, cet article décrit les principaux phénomènes régissant cet endommagement, depuis la fissuration induite par le contact jusqu'à l'abrasion. Le couplage entre effort mécanique et réactivité chimique est également détaillé tant ses effets sur l'endommagement que son utilisation pour le polissage sont exposés. Quelques exemples de méthodes courantes pour protéger les surfaces de produits verriers sont également mentionnés à titre d'exemple.

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ABSTRACT

Tribology of Silicate Glasses. Friction and Surface Damage

Surface damage lies at the root of glass brittleness. In this article, the main causes of surface damage are described, starting from simple cracking induced by normal contact with a blunt indenter, up to scratch-induced damage and spalling. We also demonstrate a strong coupling between mechanical loading and chemical reactivity of silicate glasses, with implications for both (i) surface damage and crack propagation, and (ii) polishing and planarisation. A few examples of industrial glass protection processes are also given.

Auteur(s)

  • Étienne BARTHEL : Chercheur CNRS - Anciennement chercheur à Surface du Verre et Interfaces (CNRS / Saint-Gobain) - Sciences et Ingénierie de la Matière Molle UMR 7615 - École Supérieure de Physique et Chimie Industrielles de la ville de Paris, Paris, France

  • Jean-Pierre GUIN : Chercheur CNRS - Département Mécanique et Verres - Institut de Physique de Rennes, Université de Rennes 1, Rennes, France

INTRODUCTION

Il est bien établi que c’est l’endommagement de surface des verres silicatés qui conditionne la résistance mécanique et la durabilité des produits verriers. Une succession d’endommagements conduit à la génération de défauts de taille croissante, qui en abaissent graduellement la résistance mécanique. Nous proposons dans cet article une présentation sommaire des principales notions qui permettent de comprendre les causes de ces endommagements, depuis la fissuration induite par contact jusqu’à la rayure avec écaillage. Nous illustrons ces principes par quelques exemples empruntés à différents types de produits verriers, afin de faire apparaître la généralité des idées que nous présentons. Enfin nous décrivons certains effets connus de l’environnement sur la mécanique de surface et montrons comment ils permettent de comprendre le phénomène d’enlèvement contrôlé de matière, c’est-à-dire le polissage.

Les solides « fragiles » comme les verres silicatés offrent un cas modèle de la fissuration par contact et nous nous focalisons donc en premier lieu sur la mécanique du contact. Nous traitons de la morphologie des fissures générées par le contact d’indenteurs de forme arrondie tels que des pointes émoussées. Elle est classiquement expliquée à partir des champs de contraintes qui se développent sous un tel contact. Nous discuterons d’abord du contact sous un effort normal à la surface, puis nous montrerons pourquoi le contact glissant est nettement plus sévère. De la même façon nous aborderons ensuite le contact avec un solide pointu. La caractéristique de l’indentation est de solliciter la réponse plastique. Ce concept de réponse plastique est moins usuel dans les silicates amorphes que dans les métaux, et fera donc l’objet d’une courte introduction. Sans nous étendre sur les détails les plus controversés de ces phénomènes, nous centrons notre approche sur le rôle de la plasticité dans les morphologies de fissures aux plus petites échelles, et brossons un panorama des modes de fissuration en rayure. Enfin nous mentionnons brièvement les aspects moins compris de la question que sont la nature des premiers défauts de surface ainsi que les mécanismes d’initiation des fissures.

Dans la deuxième partie, nous traitons des procédés mis en œuvre pour réduire les endommagements de surface. Sans chercher à être exhaustif, nos exemples sont choisis pour illustrer la variété des solutions qui ont été développées pour la maîtrise de l’endommagement des surfaces de verre dans les procédés de fabrication de masse, en fonction de la nature des produits verriers et de leurs modes de fabrication. Il s’agit des vitres « flottées », des fibres de verre de renforcement, des fibres optiques ainsi que des bouteilles en verre.

Enfin dans la troisième partie, nous faisons ressortir une dernière caractéristique de la tribologie des silicates. Ces matériaux inorganiques sont le siège d’une riche chimie en présence d’eau, donc dans l’environnement ambiant. En outre, le couplage entre cette réactivité des silicates et les sollicitations mécaniques en surface est fort, et les mécanismes mécanochimiques sont donc très actifs. Ce sont d’une part les mécanismes de corrosion sous contrainte, qui conditionnent l’impact de l’environnement sur la vitesse de propagation des fissures, et d’autre part les mécanismes tribochimiques mis en œuvre lors du frottement, soit en milieu aqueux, au cours du polissage, soit même sous atmosphère, comme lors du frottement « à sec ».

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KEYWORDS

glass forming   |   flat glass   |   oxide glasses   |   brittleness   |   surface damage

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-tri4575


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1. Contact, frottement et endommagement des verres silicatés

Dans l’étude de l’endommagement des surfaces de silicates par le contact, deux caractéristiques doivent être notées. La première concerne le comportement mécanique du matériau. Une partie significative des endommagements observés peut être bien comprise dans le simple cadre du comportement élastique. Cette observation traduit pleinement la nature dite « fragile » du matériau, où aucune déformation plastique notable ne se manifeste. Ainsi, pour un indenteur de forme arrondie, tel une sphère de rayon de quelques dizaines de microns ou plus, on peut souvent considérer le champs de contraintes comme résultant exclusivement de la réponse élastique. Cependant, en dépit de nos préjugés qui leur accordent souvent un comportement mécanique exclusivement fragile, les verres silicatés peuvent tout de même subir des déformations plastiques. Ce comportement plastique est connu depuis longtemps, mais il est difficile à observer, car le comportement macroscopique est effectivement dominé par l’élasticité et la fracture. On constate ainsi une transition progressive entre ce régime aux grandes tailles et un second régime aux plus petites tailles dans lequel la plasticité devient significative. Sauf dans les cas particuliers de pressions purement hydrostatiques ou de fort confinement, la transition se fait typiquement pour des tailles de l’ordre de quelques dizaines de microns.

La seconde caractéristique concerne la mécanique du contact élastique. En effet, de par la géométrie axisymétrique du problème et la définition simple des conditions aux limites de contact, un certain nombre de solutions analytiques exactes – quoique complexes – existent, sur lesquelles peut s’appuyer notre compréhension. Dans le cas purement élastique, ces champs de contraintes ont été mis en relation avec l’endommagement observé dans les verres silicatés, et ce par de nombreux travaux que nous résumerons dans le paragraphe 1.1. La même stratégie peut être prolongée dans le cas où une certaine plasticité se manifeste sous le contact, typiquement lorsque le rayon de l’indenteur devient inférieur à une taille de l’ordre de quelques dizaines de microns. En effet, alors que la plasticité reste localisée sous l’indenteur, la fissuration peut se développer largement au delà,...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - FRANK (F.), LAWN (B.) -   On the theory of Hertzian fracture,  -  Proceedings of the Royal Society of London A : Mathematical, Physical and Engineering Sciences 299 : 291-306 (1967).

  • (2) - MOUGINOT (R.), MAUGIS (D.) -   Fracture indentation beneath flat and spherical punches,  -  J. Mater. Sci. 20 : 4354-4376 (1985).

  • (3) - BENBOW (J.J.) -   Cone Cracks in Fused Silica,  -  Proceedings of the Physical Society 75 : 697 (1960).

  • (4) - HAMILTON (G.) -   Explicit equations for the stresses beneath a sliding spherical contact,  -  Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C : Journal of Mechanical Engineering Science 197 : 53-59 (1983).

  • (5) - RODNEY (D.), TANGUY (A.), VANDEMBROUCQ (D.) -   Modeling the mechanics of amorphous solids at different length scale and time scale,  -  Model. Simul. Mater. Sci. Eng. 19 : 083001 (2011).

  • ...

NORMES

  • Verre dans la construction – Produits verriers de silicate sodocalcique de base – Partie 8 : Tailles livrées et tailles découpées finales précise les défauts linéaires acceptables. - NBN EN 572-8 -

  • Verre dans la construction – Verre à couche – Partie 1 : Définitions et classification traite du cas des verres à couches fonctionnalisantes. - NBN EN 1096-1 -

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