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Déc
01

Le verre : attention, fragile !

Paru dans : Le verre : attention, fragile ! J.M. Courty et E. Kierlik, Pour la Science N°398, (décembre 2010)

Pour rendre le verre moins fragile ou le découper sans qu’il éclate, mieux vaut comprendre pourquoi et comment il se brise.

 

Extrait

Si le saladier en acier que des mains maladroites ont fait tomber s’en tire par quelques bosses, le plat en verre ou en porcelaine se brisera en mille morceaux. Quelle injustice ! À quoi est-elle due ?

Le verre est un matériau dit fragile. Soumis à une contrainte mécanique, par exemple une compression ou une flexion, il se déforme d’abord élastiquement, c’est-à-dire qu’il retrouve sa forme initiale lorsque la contrainte cesse d’être appliquée. Ces déformations sont très faibles, car le verre est très rigide. Mais il se rompt sans prévenir lorsque la contrainte augmente : combien de miroirs brisés pour avoir serré trop fortement les mâchoires de maintien !

Fragile ou ductile

Au contraire, les matériaux dits ductiles, tels les métaux, peuvent subir une importante déformation permanente, la déformation plastique, avant de se casser. Pourquoi ? La cohésion d’un métal est due à la mise en commun d’électrons entre les atomes ; ces électrons forment une « mer » où baignent les ions métalliques. Et cette mer d’électrons suit avec facilité le mouvement des ions, lesquels peuvent donc se réarranger.

En revanche, les verres usuels sont composés d’oxydes amorphes, telle la silice (SiO2). La cohésion est assurée par des liaisons covalentes, très fortes, entre les atomes de silicium et d’oxygène qui forment un réseau de tétraèdres : il en résulte une structure très rigide, où les atomes ne peuvent se déplacer les uns par rapport aux autres.

L’assiette lâchée des mains tombe par terre et se brise en une multitude de petits morceaux : elle était en verre trempé. La trempe accroît la solidité du verre en mettant sa surface en compression, mais elle fragilise son intérieur en y créant des tensions. (dessin Bruno Vacaro)


Sous l’effet d’une tension mécanique, la seule liberté du matériau réside dans l’allongement des liaisons, comme avec des ressorts, ce qui constitue une déformation élastique. De telles liaisons se rompent lorsque la distance entre les atomes concernés devient trop grande. Des calculs de mécanique quantique suggèrent qu’une liaison se défait lorsque son allongement atteint 20 pour cent. Or en pratique, un matériau homogène se brise bien avant de s’allonger autant.

Pourquoi cette différence ? À cause des défauts, toujours présents à l’intérieur des matériaux ou sur leurs surfaces. Au-delà d’un certain seuil de contrainte, il peut devenir plus avantageux pour le matériau, du point de vue énergétique, d’accroître la taille des défauts (fissures, cavités, etc.) que de se déformer élastiquement.

À l’échelle microscopique, un défaut se traduit par une absence locale de cohésion de la matière. Pour que le matériau résiste à la contrainte, la force non exercée par ces liaisons absentes se reporte sur les liaisons qui bordent le défaut.

La contrainte est ainsi amplifiée à l’extrémité d’une fissure. En tête d’une fissure étroite, l’amplification est proportionnelle à la racine carrée du rapport de la profondeur de l’entaille sur le rayon de courbure au fond de la fissure. Avec une simple microfissure profonde de 0,1 millimètre et d’un rayon de courbure égal à 5 nanomètres, une pression exercée sera ainsi localement multipliée par 100 !

Références

  • M. F. Ashby et D. R. H. Jones, Matériaux, tomes 1 et 2, Dunod, 2008.
  • B. Lawn et R. Wilshaw, Indentation fracture : principles and applications, Journal of Materials Science, vol. 10, pp. 1049-1081, 1975.

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