Analyse et simulation des paramètres de rayabilité du verre Silico-Sodo-Calcique traité
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Université Sétif 1 - Ferhat ABBAS , Institut d'Optique et Mécanique de Précision
Abstract
Contact between a solid particle and a surface of a brittle material is fundamentally interesting to understand the formation and the propagation of cracks as well as the deterioration in general on the ceramics and glasses surface exposed to the different exterior attacks either by erosion, abrasion corrosion or by scratching. It also constitutes a basic method to estimate the hardness of an indentation or scratching and the strength to fracture of brittle materials.
The present work consists in reinforcing the mechanical strength of the SLS glass by generating internal stresses that establish a state of compression in the vicinity of its surface. In order to evaluate this reinforcement, scratch tests of raw glass samples treated with chemical quenching (potassium nitrate) were carried out by the linear sclerometer with a variable load and a scratch speed. These different parameters of the test are instantly controlled the length of the scratch, the applied load and the speed of scratching. The main values measured are the median crack, the coefficient of friction and their consequences on the bending strength as well as the toughness of soda-lime glass. We also associated graphs with these results, which made it possible to specify the type of damage induced under the conditions of the test. We also determined the load threshold at the origin of the middle crack, which allowed us to correct the original Swain formula, to propose another model and the load to ensure a good glass cut. We were able to verify, from the presented results, that the parameters that we control at the time of the scratch test have a decisive effect on the mechanical resistance of the silico-soda-lime glass. Finally, we have demonstrated that the constrained state of the material by a surface treatment induces a propagation of surface defects considerably delayed by crack sizes significantly lower, and a much greater mechanical strength.
Description
Le contact entre une particule solide et une surface d'un matériau fragile est fondamentalement intéressant pour comprendre la formation et la propagation des fissures ainsi que la dégradation générale des céramiques et des surfaces vitrées exposées aux différentes agressions extérieurs ou provoquées lors d’un usinage soit par érosion, corrosion par abrasion ou par rayage . Il constitue également une méthode de base pour estimer la dureté et la résistance à la rupture par indentation ou par rayage des matériaux fragiles.
Le présent travail consiste à renforcer la résistance mécanique du verre SLS par génération de contraintes internes instaurant un état de compression au voisinage de sa surface par un traitement chimique et celui d’un traitement thermique. Pour essayer de comprendre en premier lieu le système et le processus de fissuration notre approche consister à effectuer des tests de rayage d’échantillons de verres ordinaire (à l’état brut) par le scléromètre linéaire de l’université de Rennes I sous des charges normale variables allant de 0,1N à 2N en fixant la vitesse de rayage à 10μm/s , les différents paramètres du test tel que la longueur de la rayure, la charge appliquée et la vitesse de rayage sont contrôlés instantanément. Les principales valeurs mesurées sont la fissure médiane, le coefficient de frottement et leurs conséquences sur la résistance mécanique à la flexion ainsi que la ténacité du verre silico-sodo-calcique. Nous avons également associé à ces résultats des graphes qui ont permis de préciser le type de dommage induit dans les conditions de l'essai. Nous avons déterminé le seuil de charge à l'origine de la fissure médiane, ce qui nous a permis de corriger la formule originale de Swain, de proposer un autre modèle ainsi que la détermination de la charge optimale pour assurer une bonne coupe du verre. Cette approche nous a également permis de mettre en évidence l’influence de la charge appliquée lors du test de rayage et examiner par la suite d’un graphe de microfissuration la réponse à cette expérience, le coefficient de frottement apparent et la résistance mécanique (test post-rayure) sont étudiés et discuté pour ce type de verre (silico-sodo-calcique) ou verre à vitre de composition standard. Nous avons constaté que lorsque la charge normale augmente, la profondeur de la fissure médiane semble se stabiliser à environ 100 μm de longueur. Corrélativement, on a observé que la résistance mécanique du verre rayé reste à environ 40 MPa quelle que soit la charge exercée au-dessus de 0,5 N. ces résultats ont contribué à la compréhension des facteurs existants contrôlant les rayures dans les verres. En second lieu et afin d'évaluer ce renforcement mécanique, des tests de rayage d’échantillons de verre brut sont traités par la trempe thermique, la trempe chimique (nitrate de potassium) et le recuit ont été effectués avec des chargements et des vitesses de rayage cette fois-ci variables, nous avons pu vérifier, à partir des résultats présentés, que les paramètres que nous contrôlons au moment de l'essai de rayage ont un effet déterminant sur la résistance mécanique du verre silico-sodocalcique.
L’influence de la vitesse de rayage a été bien évidente sur les échantillons bruts et traités mise en évidence par des graphes montrant une corrélation négative avec la charge ou leurs variations vont en sens opposées. Nous avons également mis en évidence que l’état contraint du matériau par un traitement de surface induit une propagation de défauts de surface considérablement retardée par des taille de fissures sensiblement plus faible, et une résistance mécanique beaucoup plus accrue, les résultats des échantillons trempé chimiquement ont montrés une résistance au rayage beaucoup plus élevée que ceux de la trempe thermique par rapport aux échantillons rayés à l’état brut, l’échange ionique Na+/ k+ ou la géométrie atomique à permis l’instauration d’un état compressif réagissant sur la résistance de façon positive. Enfin on a pu vérifier les résultats obtenus notamment, ceux du rayage ordinaire avec le nouveau modèle de fissuration qui à été proposé par une simulation numérique avec le logiciel MATLAB qui nous à fournis des résultats en confrontations très proches et similaires à nos résultats expérimentaux que ce soit en paramètres géométriques de la rayure ou en paramètres recherchés tel que la profondeur de la fissure médiane appliquée sous notre modèle proposé, ces résultats ont été montrés sous formes de graphes illustratifs. La simulation numérique des paramètres de rayage a également illustré par des graphes, l’effet des faibles charges par un micro-rayage sur le comportement et l’évolution des différentes contraintes, vis-à-vis des limites du domaine auquel appartient la structure du verre utilisé, les zones sous contraintes de compression et de tractions responsables des amorces de fissures et la conséquence de dégradation de résistance mécanique apparaissent aussitôt que la sollicitation est exercée et leurs évolutions restent liées à la variation des paramètres de rayage.