Mécanique et physique de l’indentation du verre

Mechanic and physics of the indentation of glass

• Auteur / Autrice : Hui Ji
• Direction : Tanguy Rouxel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Rennes 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Indentation des matériaux

Rhéologie

Effets des hautes pressions

Verre

Résumé

Dans le but de caractériser le comportement mécanique du verre à l’aide d’éprouvettes de petite taille nous travaillons au développement de méthodes reposant sur l’utilisation de l’indentation, et en particulier de l’indentation Vickers, qui est la plus répandue. De tels essais engendrent de fortes contraintes hydrostatiques dans le verre sous la zone d’application de la charge. Le verre étant caractérisé par une densité d’empilement atomique relativement faible, en regard du cristal par exemple, la pression induite, qui atteint typiquement plusieurs GPa, provoque la densification du verre. Ainsi, dans un premier temps, nous avons étudié le comportement de verres de différentes compositions sous haute pression (jusqu’à 25 GPa) et nous avons ensuite étudié le comportement d’indentation à la lumière de ces résultats. Les travaux ont portés sur quatre types de verre – un verre silico-sodo-calcique de vitrage ordinaire, un verre de silice (SiO2), un verre de chalcogénure (GeSe4) et un verre métallique massif (Zr55Cu30Al10Ni5) – ainsi que sur une argile synthétique (la plasticine) qui s’est révélée être un excellent matériau modèle pour étudier la rhéologie du verre en autorisant des expériences à l’échelle macroscopique. L’ensemble de ces résultats a permis de proposer un mécanisme de déformation du verre par indentation, avec deux processus distincts (densification et écoulement visqueux rhéofluidifiant), dont les contributions respectives dépendent fortement de la composition, au travers du coefficient de Poisson.

In order to characterize the mechanical behaviour of glass using small size specimens, we develop methods based on the use of indentation, in particular the Vickers indentation which is by far the most common. Such tests cause high hydrostatic stresses in the glass in the area of application of the load. The glass lieing characterized by a relatively low atomic packing density compared with crystals for example, the induced pressure, which is typically of several GPa, cause densification of glass. Thus, in a first step, we studied the behaviour of glasses of different compositions at high pressure (up to 25 GPa) and we then studied the indentation behaviour by using these results. The work was focused on four types of glass – a soda-lime-silica window glass, a silica glass (SiO2), a chalcogenide glass (GeSe4) and a bulk metallic glass (Zr55Cu30Al10Ni5) – as well as a synthetic clay (plasticine), which proved to be an excellent model material for studying the rheology of glass at the macroscopic scale. All these results helped to propose a mechanism of deformation of the glass by indentation, with two separate processes (densification and shear-thinning viscous flow), whose contributions are highly dependent on the composition, through Poisson’s ratio.