MEMOIRE MAGISTER THEME - Université Ferhat Abbas de Sétif

MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE
SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE FERHAT ABBAS-SETIF
UFAS (ALGERIE)
MEMOIRE
Présenté à la Faculté des Sciences de l'Ingénieur
Département d'Optique et de Mécanique de précision
Pour l'Obtention du Diplôme de
MAGISTER
Option: Mécanique Appliquée
Par
M elle : DOUDOU FATIHA
THEME
ETUDE DU RENFORCEMENT DU VERRE PAR LE
DOUBLE ECHANGE IONIQUE
Soutenue le : 24/05/2010
Pr:N.BOUAOUADJA Prof à l'université de Sétif Président
Pr :M.HAMIDOUCHE Prof à l'université de Sétif Rapporteur
Dr :N.E.DEMAGH M.C à l'université de Sétif Examinateur
Dr: S.BENBAHOUCHE M.C à l'université de Sétif Examinateur
Dr :M.A.MADJOUBI M.C à l'université de Sétif Examinateur

REMERCIMENT
Je REMERCI
MR : Hamidouche Mouhamed
Les mombres de jury
Mr : Sghir, Mr : Bahri Hacen
Mr : Nadire Bouras
……………. Fatiha

Thèse : Étude du renforcement du verre par le double échange
ionique
RESUME
La rupture fragile du verre est due à la présence des défauts à sa surface qui servent
de point de concentration de contrainte.
Un traitement thermochimique de type échange ionique, simple et double
réalisés avec différents temps de maintient, pour améliorer le verre silico-sodocalcique.les
longueurs des fissures diminuent si le temps du premier échange ionique
est long. Le deuxième type d’échange assure la stabilisation de ces fissures en
profondeur.
Une opération d’indentation instrumenté a été utilisée pour déterminer le
profile de contrainte induite par la trempe chimique
Mot clé : fragilité, verre, contraintes, échange ionique, indentation instrumenté.

.
SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE1 : RENFORECEMENT DU VERRE
1-1.GENERALITES………………………………………………………………………………..
1-2.RENFORCEMENT.....................................................................................................................
1-2-1.RECUIT………………………………………………………………………………………
1-2-2.TREMPE THERMIQUE …………………………………………………………………...
1-2-3.REVÊTEMENT ……………………………………………………………………………..
1-2-3-1.METHODES PHYSIQUES (P-V-D)……………………………………………………...
1-2-3-2.PROCEDEES CHIMIQUES ……………………………………………………………..
1-2-4.DECAPAGE PAR VOIE CHIMIQUE ……………………………….................................
1-2-5.POLISSAGE AU FEU ……………………………………………………………………....
1-2-6.TREMPE CHIMIQUE…………………………………………………………………...….
1-2-6-1.RAPPEL SUR LA DIFFUSION À L’ETAT SOLIDE ……………………....................
1-2-6-2. DIFFERENTS TYPE DE LA TREMPE CHIMIQUE...........................................
a. PROCEDE SCHOTT ……………………………………………….........................................
b. DESALCALINISATION ……………………………………………………………………...
c. ECHANGE IONIQUE …………………………………………………………………………
d. DOUBLE ECHANGE IONIQUE ………………………………………………………………
1-EFFET DE LA TEMPERATURE ET LA DUREE DU TRAIITEMENT…………………...
2-EFFET DE LA COMPOSITION DU BAIN DE L’ÉCHANGE SUR LES CONTRAINTES RÉSIDUELL
…………………………………………………………………………………...
3-MESURE DE L’ÉPAISSEUR DE LA COUCHE COMPESSIVE PAR
PROFILOMETRIE…………………………………………………………………………….
1

.
CHAPITRE 2 : INDENTATION
2-1. INTRODUCTION……………………………………………………………………………...
2-2.INDENTATION CLASSIQUE …………………………………………………………………
2-2-1. DIFFERENTS TYPES D’INDENTEURS ………………………………………………….
a. INDENTATION BRINELL...…………………………………………………………………..
b. INDENTATION CÔNE………………………………………………………………………...
c. INDENTAT
VICKERS ….………………………………………………………………..
d. INDENTATION KNOOP ……………………………………………………………………..
e. INDENTATI
BERKOVICH ……………………………………………………………….
f. INDENTATION HERTZIENNE …………………………………….......................................
g. SYNTHESE ……………………………………………………………………………………..
2-2-2.TYPE DE FISSURATION SOUS DIFFERENTES FORME DE PENETRATEUR…….
2-2-3. DOMAINES DE DURETE …………………………………………………………………
2-2-4. CHAMP DE CONTRAINTE INDUIT PAR INDENTATION VICKERS …………….
2-2-5. SEQUENCES DE L’INDENTATION POINTU …………………………………………..
2-2-6. TYPE DE FISSURES GENEREES PAR INDENTATION ……………………………...
2-3. INDENTATION INSTRUMENTÉE …………………………………………………………
2-3-1. INTRODUCTION …………………………………………………………………………...
2-3-2. TECHNIQUE DE L’INDENTATION INSTRUMENEE. …………………....................
2-3-3. DISPOSITIF DE L’INDENTATION INSTRUMENTEE………………………………..
2-3-4. PRINCIPE DE LA TECHNIQUE DE L’INDENTATION INSTRUMENTEE................
2-3-5. DIFFERENTS MODELES ET ANALYSES........................................................................
2

.
CHAPITRE 3: MATERIAUX ET PROCEDURE EXPERIMENTALE
3-1.BUT DU TRAVAIL ….………………………………………………………………………...
3-2.VERRE UTILISE.. ……………………………………………………………………………..
3-2-1.COMPOSITION CHIMIQUE ………………………………………………………………
3-2-2.CARACTERISTIQUE USIELLES À LA TEMPERATURE AMBIANTE…………….
3-3.SELS UTILISE.… ……………………………………………………………………………...
3-4.DISPOSITIFS EXPERIMENTALS …………………………………………………………..
3-4-1.DUROMETRE ZHU 2.5……………………………...............................................................
3-4-2.FOUR ELECTRIQUE …..…………………………………………………………………..
3-4-3.AGITATEUR …………………………………………………………………………...……
3-4-4.BALANCE …….……………………………………………………………………………...
3-4-5.FORMULES UTILISES …………………………………………………………………….
a. EVOLUTION DE DURETE VICKERS..………………………………………………………
b. EVOLUTION DE LA TENACITE EN FONCTION DE LA CHARGE MAXIMALE …..
c. EVOLUTION DE L'EPPAISSEURE ELEVEE PAR HF …………………………………….
2-5.PREPARATION DES ECHANTILLONS ET DEROULEMENTS DES ESSAIS…...
CHAPITRE 4 : RESULTATS ET ANALYSE
4-1.ESSAIS DE CARACTERISATION..………… ………………………………………………
4-2.SIMPLE ECHANGE IONIQUE..……………… ……………………………………………..
4-2-1.LA PENETRATION EN FONCTION DE LA CHARGE ……………………………….
4-2-2.OBSERVATION MICROSCOPIQUE ……………………………………………………..
4-2-3.DURETE ……..………………………………........................................................................
4-2-4.TENACITE ……………………………………………………..............................................
4-2-5.MODULE DE YOUNG …….………………………………………………………………..
4-2-6.CONTRAINTES DE COMPRESSION SUR LA SURFACE (7N)……………………….
4-2-7.MODULE DE YOUNG EN PROFONDEUR …………………………...............................
4-2-8.DURETE EN PROFONDEURL ………………………………………................................
3

.
4-2-9.EVOLUTION DES LONGUEURS DES FISSURES EN PROFONDEUR……………….
4-2-10.OBSERVATIONS MICROSCOPIQUES ……….……………............................................
4-2-11.PROFIL DES CONTRAINTES …….………………………………...................................
4-3.DOUBLE ECHANGE IONIQUE ………..………………………….........................................
4-3-1.DURETE ……………………………………………………………………….......................
4-3-2.TENACITE..…………………………………………………………………………………..
4-3-3.CONTRAINTES DE COMPESSION EN SURFACE (4N)..………………………………
4-3-4.MODULE DE YOUNG EN PROFONDEUR …..………………………………………….
4-3-5.DURETE EN PROFONDEUR …..…….................................................................................
4-3-6.EVOLUTION DES LONGUEURS DES FISSURES EN PROFONDEUR ……………...
4-3-7.PROFIL DES CONTRAINTES EN PROFONDEUR …………………………………….
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
4

INTRODUCTION GENERALE
Le verre est l’un des premiers matériaux de synthèse mis au point par l'homme.il
présente des caractéristiques bien spécifiques. Sa transparence et sa facilité de mise
en forme n'ont fait que varier ses domaines d'application. Généralement, il rompt
d'une façon catastrophique à cause de la présence des microfissures qui sont des
points de concentration de contrainte.
Pour améliorer les caractéristiques mécaniques du verre, il suffit de neutraliser ces
défauts superficiels par des procédés de trempe chimique, elles sont basées sur les
échanges ioniques se produisant par diffusion ou par la trempe thermique…
L’objectif de notre travail se focalise d'une part sur l'influence de temps de maintien
d'un traitement thermochimique sur le renforcement du verre et d'autre part l'étude
des contraintes résiduelles induisent par cette trempe.
Ce travail est subdivisé en trois chapitres
Le premier chapitre est consacré aux méthodes utilisées pour le renforcement du
verre.
Le deuxième chapitre, est réservé à l’indentation du verre et les techniques utilisées
pour déterminer les contraintes résiduelles induites par indentation.
Dans le troisième chapitre, nous avons présenté les matériaux et aux techniques
expérimentales utilisées.
Le chapitre quatre est consacré aux résultats expérimentaux obtenus et à leurs
interprétations.

Chapitre 1 renforcement de verre
1-1. GENERALITES :
CHAPITRE 1
Renforcement de verre
Le verre est un des plus anciens matériaux connus par l'homme, les plus anciens objets en
verre ont été découverts en Egypte, ils remontent à environ 3000 ans avant J.-C, mais
vraisemblablement la matière d'obtenir le verre a été découverte auparavant en Mésopotamie
environ 4500 ans bien avant la première découverte.
Le verre est une substance dure, homogène, sa nature amorphe (non cristalline) l’indispose
d'arrangement régulier résultant de répartition sur distance notables d'un même motif,
caractéristique du cristal.
Cet organigramme représente les principales étapes dans la fabrication du verre (les
constituants du verre, fusion en four et la mise en forme). [VERR 02]
Figure1.1: Fabrication du verre.
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Chapitre 1 renforcement de verre
1-2. RENFORCEMENT:
On a ressenti l’intérêt du renforcement dès que les premiers objets en verre ont été créés,
mais le besoin réellement impératif n’en est venu qu’avec le développement des moyens de
transport modernes.
La résistance mécanique du verre en compression est environ dix fois plus élevée que la
résistance en traction. La rupture du verre démarre généralement dans une zone en extension, par
activation d'une microfissure superficielle. Etant donné qu'il est, dans la pratique impossible
d'empêcher la formation de ces défauts, on cherche surtout à les neutraliser par une mise en
précontrainte de couches superficielles [ROLA ]. Parmi les méthodes utilisées pour renforcer le
verre, on distingue :
1-2-1. RECUIT :
Les opérations de formage (soufflage, pressage, étirage, ….etc.) introduisent des contraintes
diversement distribuées qui sont liées à la variation des propriétés provoquent le bris des objets au
refroidissement. [ZARZ 79]
Le recuit c'est le traitement thermique qui est appliqué au verre dans le but de supprimer les
contraintes et les tensions qui empêcheraient la fracture lors du refroidissement.
La méthode consiste à réchauffer le verre à une température uniforme légèrement inférieure à
la température de transition (Tg) (figure1.2), pendant un temps suffisant pour permettre
l'élimination (relaxation) des contraintes initialement présentées. L'objet en verre est ensuite refroidi
avec une vitesse suffisamment faible à travers toute la région des températures.
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Chapitre 1 renforcement de verre
Figure1.2: Viscosité d'un verre sodo-calcique en fonction de la
température [HEWA 98].
Dans la pratique les vitesses de refroidissement à respecter dépendent des dimensions de
l'objet (pour le recuit optique grossier les vitesses doivent être inférieures à5°/min; pour le recuit
optique fin elles ne doivent pas dépasser 0.7°/min).
Il est préférable pour des raisons d'économie de refroidir rapidement le verre juste au-dessus
de la température pour laquelle la contrainte peut se maintenir pendant quelque secondes puis
d'adopter la vitesse de recuit calculée dans l'intervalle limité inférieurement par le "point de
tension"(10 14.5 poise).On peut ensuite accélérer de nouveau le refroidissement sans crainte
d'introduire des contraintes résiduelles. [ZARZ 79]
1-2-2. TREMPE THERMIQUE :
Les blessures occasionnées par les premiers accidents automobiles inspirèrent en
1909 l’invention du verre feuilleté par E. Bénédictus. Quelques années plus tard, Saint-Gobain
breveta le procédé de la trempe thermique par jets d’air [SAIN 32]. Lorsqu’une feuille de
verre convenablement trempée est rompue, sa fragmentation se compose de morceaux
ayant la forme de petits dés aux arêtes non coupantes, alors que la fracture du verre recuit produit
des fragments aux bords très acérés. [JAME 05]
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Chapitre 1 renforcement de verre
Les propriétés étonnantes conférées au verre par un refroidissement brutal étaient connues
depuis le XVIIe siècle avec les expériences des « larmes bataviques» du Prince Rupert. On
savait qu’une goutte de verre fondu tombant dans l’eau acquiert une très grande résistance
mécanique en se solidifiant. [JAME 05]
La trempe thermique est un traitement qui consiste à mettre en compression les couches
superficielles du verre pour le rendre plus résistantes mécaniquement.
Ce traitement est utilisé pour mettre les couches superficielles du verre dans un état de
compression et le cœur dans un état de traction. Cela permet d’améliorer la résistance du verre.
Le principe de la trempe thermique (figure1.3) consiste à chauffer l’objet en verre, façonné
sous sa forme définitive jusqu’ à une température voisine de son point de ramollissement puis le
refroidir rapidement (généralement par soufflage avec un jet d’air comprimé).
Lorsque l'objet est finalement refroidi à la température ambiante, le "cœur" plus chaud doit se
contracter plus que la "peau". Cette contraction différentielle conduit à l'apparition des contraintes
de compression dans les couches externes. Les contraintes de compression dans les couches
voisines de la surface sont équilibrées par les contraintes d'extension dans les couches internes.
[ZARZ 79]
Figure1.3: variation de la température en fonction du temps pour le verre silicosodo-calcique
trempé thermiquement [VERR 02]
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Chapitre 1 renforcement de verre
La figure1.4 montre que la distribution des contraintes dans une lame de verre en fonction de
la profondeur est approximativement parabolique. La contrainte de compression maximum c en
surface est environ le double de la contrainte maximum d’extension au centre. Le plan ou la
contrainte n’est nulle est situé à une profondeur approximativement égale à 1/5 de l’épaisseur.
L’intensité de contrainte développée dépend deux paramètres :
Coefficient de dilatation thermique du verre.
Epaisseur de l’objet du verre liée à la vitesse de refroidissement du cœur.
En procédant de cette façon, on peut augmenter jusqu'à quatre fois la résistance mécanique du
verre. La transparence du verre au rayonnement visible permet l’analyse expérimentale des
contraintes résiduelles sur les produits trempés en utilisant l’effet photo-élastique. [ABEN 93]
Figure1.4: Distribution des contraintes dans une feuille de verre
trempée thermiquement. [ZARZ 82]
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Chapitre 1 renforcement de verre
1-2-3. REVÊTEMENT:
La méthode de dépôt joue un rôle très important pour la fabrication des couches minces. La
réalisation de la fonction du film (réflexion et transmission, protection d’une surface …) est
influencée par le procédé de revêtement utilisé.
Si les contraintes tangentielles à la surface du verre sont trop élevées, les microfissures
peuvent donner naissance à des macrofissures qu’on appelle accrocs. On évite ce risque en
produisant autour du ruban de verre, en tête d’étenderie, une atmosphère contenant du gaz sulfureux
et de la vapeur d’eau. [JAME 05]
Les couches peuvent être produites par diverses techniques telles que la déposition en phase
vapeur, l’électrolyse, la vaporisation cathodique réactive, la pyrolyse, et l’évaporation sous vide.
En effet certaines fonctions prêtent des facilités de réalisation pour certains dépôts et des
difficultés et même des impossibilités pour d’autres. Ces couches sont présentées sous forme
métallique semi- conductrice ou diélectrique. Il y a deux méthodes différentes de revêtement
1-2-3-1. MÉTHODES PHYSIQUES (P-V-D) :
Le terme P-V-D vient de la nomination anglaise « physical vapour déposition ». Ce procédé
comporte l’évaporation thermique, la pulvérisation cathodique et le dépôt ionique.
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Chapitre 1 renforcement de verre
Procédés
sous vide
Evaporation
thermique
Par
échauffement
électrique
Par
bombardement
électrique
Pulvérisation
cathodique
1-2-3-2. PROCÉDÉS CHIMIQUES:
Conventionnelle
Procédé de
revêtement
Immersion
Haut
rendement
Procédés
chimiques
Pulvérisation
Pyrolyse
Figure1.5: Classification des procédés de revêtement [KOLL 99]
Réduction
chimique
C-V-D
Dans ces procédés, les revêtements s’effectuent grâce à la modification chimique de divers
constituants. Ces derniers se décomposent entre 600° et 1000°c et sous une pression atmosphérique
normale. Ce procédé est très utilisé dans le domaine optique (couches anti-reflet pour imageurs et
instruments optiques, filtres sélectifs réfléchissants, diviseurs achromats de lumières et filtres des
radiations humides).
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Chapitre 1 renforcement de verre
PYROLYSE :
Au cours de ces dernières années, le développement des revêtements du verre par des couches
minces n’a cessé d’augmenter. Il en est de même pour l’étendue des méthodes traditionnelles basées
sur la déposition sous vide. L’évaporation thermique et la pulvérisation cathodique ont montré
qu’elles sont trop coûteuses pour certaines applications industrielles.
Le procédé de revêtement du verre par pyrolyse est une méthode convenable, divisé en trois
techniques selon les trois états des matières premiers : la pyrolyse solide, liquide et gazeuse.
Les procédés de pyrolyse présentent plusieurs avantages [MAHD 97]
• Simplicité et la facilité du procédé
• Coût relativement faible
• les couches obtenues présentent une grande uniformité et une bonne qualité surtout à
partir des sels métalliques
• Températures de pulvérisation relativement basses
• Possibilité de réaliser en même temps la pulvérisation et le recuit
1-2-4. DECAPAGE PAR VOIE CHIMIQUE :
Des dommages superficiels peuvent être enlevés par un décapage chimique en utilisant une
solution aqueuse diluée d’acide fluorhydrique HF(ou un mélange de HF avec un autre acide, par
exemple H2SO4 ou HCl). Ces acides permettent la dissolution des composés de fluorure résultants
de la réaction entre le HF et le verre). Avec cette méthode, des objets en verre ont montrés des
résistances mécaniques très élevées, au-dessus de 1000MPa [DONA 89].
1-2-5. POLISSAGE AU FEU :
Similairement à la précédente méthode, la technique du polissage à l’aide d’une flamme est
une méthode standard pour améliorer les propriétés mécaniques des articles en verre. Par cette
méthode la surface du verre est ramollie par chauffage, conduisant au déplacement de la matière
visqueuse, par conséquent à la guérison des fissures.
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Chapitre 1 renforcement de verre
1-2-6. TREMPE CHIMIQUE:
1-2-6-1. RAPPEL SUR LA DIFFUSION À L’ETAT SOLIDE:
La diffusion à l’état solide est le mécanisme par lequel les atomes se déplacent dans un solide
à des distances qui dépassent les distances interatomiques moyennes. À la différence des gaz et des
liquides, les mouvements d’un atome dans un corps solide sont toujours gênés par les atomes
voisins. Ceci se traduit par une série de collisions. Le phénomène de diffusion à une très grande
importance dans la science du verre, est un processus irréversible, et par conséquent, il accroît
l’entropie et la résistance mécanique du verre. De nombreux problèmes physique, chimique et de
métallurgique font appels aux mécanismes de diffusion : dopage d’éléments, semi-conducteur,
dépôt de couches minces, traitements thermiques et thermochimiques.
On défini un flux d’atomes diffusant comme étant le nombre d’atome (ou quantité de matière)
transportée par unité de temps et par unité de section. Par analogie avec les lois de conductibilité
électrique et thermique ; on admet que le flux Jx en une position x est proportionnel au gradient de
concentration (∂c/∂x).
En régime stationnaire, le gradient (∂c/∂x) est constant. Comme la concentration de l’espace
qui diffuse diminue (les atomes diffusent des régions de forte concentration vers les régions de
faible concentration), on aboutit à la première loi de Fick [ZARZ 82] :
J = -D ( ∂c/∂x ) [g/s.cm 2 ] (1-1)
D : Coefficient de diffusion [cm 2 /s]
X: Direction de diffusion [cm].
C: Concentration par unité de volume [g/cm 3 ].
En général, les concentrations varient avec le temps, on se trouve en régime transitoire ou non
stationnaire. Dans ce cas, le gradient (δc/δx) et par conséquent Jx varie avec le temps [ZARZ 82].
La diffusion pendant l'échange ionique en verre à été étudiée par plusieurs chercheurs en fonction
de telles variables expérimentales comme la composition de verre, composition de bain de sel, et
temps et température d’échange. Il a été montré [JIAN 86] que la présence des ions OH - dans un
bain de sel pour la trempe chimique accélère le processus de l’échange K + - Na + . La couche
comprimée étant la plus épaisse pour les bains contenant des ions OH - .
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Chapitre 1 renforcement de verre
1-2-6-2. DIFFERENTS TYPE DE LA TREMPE CHIMIQUE :
La trempe chimique est la technique la plus commode et la plus employée pour le
renforcement mécanique du verre. Ce procédé consiste à changer le coefficient de dilatation
thermique des couches superficielles. Ceci s’effectue en modifiant la nature chimique de la surface
du verre [ZARZ 82] .Ce mode de renforcement fourni une solution pratique au problème de la
résistance mécanique en mettant la surface en compression, ce qui neutralise dans une large mesure
l’effet de fissures superficielles, mais les profondeurs typiques d'échange sont relativement faibles
(< 200μm). [MATT 05]
a. PROCÉDÉ SCHOTT :
On peut ajouter une couche superficielle d'un verre ayant de dilatation plus faible, la jonction
avec l’objet se fait à une température suffisante pour qu'il y'ait soudure effective. Au
refroidissement, les couches superficielles se contractant moins, sont mises en compression. Le
procédé Schott utilisé depuis 1891 permet d'atteindre des contraintes superficielles de l'ordre de
240 à 280 MPa [ZARZ 82, ZARZ 87].
b. DÉSALCALINISATION :
En diminuant superficiellement la teneur en Na2O du verre, on crée une couche superficielle
désalcalinisée, qui au refroidissement sera mise en compression. Dans la pratique on y arrive, en
traitant les objets en verre dans une atmosphère contenant du gaz et de la vapeur d'eau .les ions Na+
extraient participent à la formation du sulfate qui se rassemble à la surface sous forme d'hydroxyles
dans la surface du verre. Ce traitement est appliqué notamment dans la fabrication des bouteilles
[ZARZ 82]
c. ÉCHANGE IONIQUE [ZARZ 82]:
Les procédés modernes de trempe chimique sont basés sur des échanges ioniques se
produisant par diffusion où les pièces de verre sont immergées en un sel alcalin fondu à une
température au-dessous de la température de transition vitreuse. Pendant le temps d'immersion les
ions alcalins du verre qui est assez près de la surface sont échangés avec ceux du sel fondu. Donc un
procédé thermique de diffusion est activé et qui se traduit par le renforcement du verre [RENE 08].
Pour utiliser cette technique deux variantes sont possibles
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Chapitre 1 renforcement de verre
• Echange au-dessus de Tg:
On remplace un cation du verre par un cation de rayon ionique plus faible, par exemple Na +
(r=0.98A°) par li + (r=0.78A°) .Cette opération doit être conduite à une température supérieure à Tg
pour permettre le fluage, c’est-à-dire une relaxation complète des contraintes à la température de
traitement. Au refroidissement il y a mise en compression des couches superficielles comme pour le
procédé Schott.
• Echange au-dessous de Tg :
On remplace un cation du verre par un cation de rayon ionique plus élevé. Par exemple; Na
+ (r=0.98A°) est remplacé par K + (r= 1.33 A°) provenant d'un bain fondu de nitrate potassium .L'ion
K+, plus volumineux entrant dans le réseau, provoque son expansion et donc la mise en
compression superficielle des couches.
Pour accélérer les échanges, on peut jouer sur la composition du verre : un ajout de AL2O3
permet d'augmenter sensiblement les coefficients de diffusion au cours des échanges et d'obtenir des
profondeurs d'échange suffisantes dans des temps raisonnables.
Figure 1.6: Aspect schématique des couches superficielles d'un verre silico-sodo-calcique
après change d'ions Na + K+ [NORD 64]
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Chapitre 1 renforcement de verre
La trempe chimique conduit à un profil de contraintes très différent de la trempe thermique.
Les contraintes de compression superficielles sont concentrées dans une couche de profondeur très
faible (quelque dixièmes de mm, et sont équilibrées par un " plateau" de contraintes d'extension
internes très faible. Le procédé permet d'atteindre des contraintes superficielles très élevées (de 350
à 700 MPa). Il est applicable sur des objets très minces, où la trempe thermique est impossible car le
coût est très élevé [ZARZ 79]. C'est la raison pour la quelle cette méthode est limitée aux produits
de haute technologie, notamment dans le domaine aérospatial tel que le pare –brise de l’airbus.
Cependant cette méthode présente certain avantage .On peut l'utiliser pour traiter des produits
de n'importe quelle forme, d'épaisseur inférieure à 2mm, et même sur des verres avec un très faible
coefficient de dilatation. Par ailleurs, ces traitements chimiques se font à des températures au
dessous de Tg, Ceci réduit les problèmes associés à la déformation visqueuse des verres traités. Les
verres traités chimiquement dont l'épaisseur est faible, peuvent subir des opérations de coupe et de
perforation [SCHO 80]. La méthode photo-élastique est généralement utilisée pour obtenir le
profil de contrainte de la trempe chimique qui est représenté sur la figure suivante. [ABEN 93]
Figure 1.7: Profil dans un verre trempé chimiquement: vue de côté, dans un polariscope
équipé d'un compensateur de Babinet. [RENE 08]
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Chapitre 1 renforcement de verre
• INFLUENCE DES PARAMÈTRES DE TRAITEMENT (TEMPÉRATURE ET TEMPS
DE MAINTIEN)
L’échange ionique est un procédé de diffusion contrôlé. Il dépend du temps, de la température
et des additifs d’activation.
Les ions de sodium sont les seuls ions échangeables (alcalins) dans le verre et les ions de
potassium échangeables uniquement (alcalins) dans le sel fondu. Comme le potassium est plus lourd
que le sodium, soit une augmentation de poids est prévue après la diffusion des ions. La figure
(1.8), présente l'augmentation de poids d'un échantillon de verre plat en fonction de la racine carrée
de t (temps d'immersion en pâte de nitrate de potassium) pour différentes températures T. Nous
supposons que l'épaisseur du vitrage est deux fois plus grande que la profondeur de diffusion. La
dépendance observée est linéaire avec la concentration de potassium. [RENE 08] par conséquent,
plus haute est la température de traitement plus court sera le temps requis pour former une couche
‘contrainte’ d’épaisseur donnée. La température supérieure est limitée par le risque de relaxation
des contraintes.
Figure1.8 : Augmentation relative du poids de verre sodo-calcique trempé chimiquement en
fonction de la racine carrée du temps de traitement pour différentes températures.
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[RENE 08]

Chapitre 1 renforcement de verre
Une étude de trempe chimique dans un bain de nitrate de potassium à une température de
400C° a été réalisée par R. Tondon et al [TOND 90] sur un verre silico-sodo-calcique pour
plusieurs durées. Les résultats ont montré qu’une durée d’échange de 4 heures a permis d’obtenir
une compression sur une couche de 7,5µm de profondeur avec des contraintes de compression de
l’ordre de 920 MPa.
La figure (1.9) montre que pour une composition de verre donnée, la résistance en flexion Rf
augmente avec le temps mais diminue avec la température à cause de la relaxation des contraintes.
Figure 1.9: Résistance d’un verre alumino -silicaté ayant subi un échange ionique à
différentes températures (a : 450 C°, b : 550 C°, c : 650 C°, d : 575 C°) [Dona 89]
La température et le temps de traitement sont les deux variables du processus de diffusion. Si
la température est élevée, le taux de diffusion est plus grand mais d’autre part, le temps de
relaxation des contraintes de compression induites en surface est plus court.
En résumé, on déduit qu’il y’a un temps optimal de traitement pour le renforcement. Ce temps
ne doit pas conduire au phénomène de la relaxation viscoélastique des contraintes et la relaxation
structurale. [GUIL 89]
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Chapitre 1 renforcement de verre
Figure1.10 : Effet de la température de l’échange sur les contraintes résiduelles [SANE 87].
d. DOUBLE ECHANGE IONIQUE :
Les matériaux fragile, tels que la céramique et les verres inorganiques, sont sensibles aux
dommages extérieurs de contact qui réduisent la résistance et mènent souvent à l'échec
catastrophique [SGLA 01]. Pour réduire ces microfissures qui se trouvent en surface, deux
stratégies peuvent êtres envisagées : le simple ou le double échange ionique.
Ils ont été mené une étude concernant la trempe chimique par le double échange ionique en
deux étapes [SCHO 80]:
Dans un premier temps, les échantillons de verre de silice ont été immergés dans un bain de
nitrate de potassium pur (KNO3) à une température de 500C° durant 24heures. Une fois les couches
superficielles sont mises en compression, les échantillons ont été de nouveau plongés dans un bain
composé d’un mélange de nitrate de sodium NaNO3 et de nitrate de potassium KNO3 avec des
proportions différentes (30 à 70%) ; le temps de maintien est de 30min pour des températures
variant de 320 à 500C°. Cette deuxième trempe consiste à réduire partiellement la concentration des
ions K + sur la surface du verre produite par la première trempe.
- 21 -

Chapitre 1 renforcement de verre
Les paramètres expérimentaux dans la deuxième étape doivent être soigneusement contrôlés
pour éviter la rupture spontanée, parce que la contrainte de compression est réduite dans la région
extérieure. [SGLA 01]
Les contraintes dans un verre trempé chimiquement: vue de côté, dans un polariscope équipé
d'un compensateur de Babinet coupé du verre trempé chimiquement. Le système est bien intégré
dans un microscope pour agrandir le champ d'observation (figure 1.11) [RENE 08]
La contrainte maximale
La contrainte
maximale
Figure1.11:Photo obtenue par le polariscope d'un verre ayant subi un double
échange ionique [RENE 08].
Le profil de contrainte obtenu montre que le maximum de compression se translate de la
surface à une certaine profondeur en dessous de la couche superficielle. Ce qui permet de stabiliser
la propagation des fissures à une distance plus profonde. Les verres renforcés par double échange
ionique ont des résistances de 4 à 5 fois plus importantes que les verres ordinaires, et des valeurs
du module de Weibull aussi élevés que 60 [SGLA 01]. La contrainte maximale produite après un
- 22 -

Chapitre 1 renforcement de verre
double échange ionique est équivalente à 70℅ de la contrainte maximale résultante d’une simple
trempe chimique [SHAI 80], mais la deuxième étape de l’échange produit remarquablement une
multiple fissuration à la surface des échantillons soumise en tension uniquement durant le
chargement.
La figure (1.12) représente le degré de compression au dessous de la couche superficielle du
verre dans le cas d’un simple et un double échange. [JILL 00]
L'introduction de la compression extérieure est une technique bien établie pour le
renforcement des verres et de la céramique [TOND 90-1]
Figure 1.12: Profil de contrainte de la trempe chimique [JILL00]
Les deux étapes de l’échange ionique permettent d’optimiser, la force (résistance), la fiabilité
et le comportement de fragmentation pour différentes compositions de verre. La durée de la
première étape d'échange ionique a été montrée pour être importante en déterminant le degré de
renforcement ; cependant, la durée de la deuxième étape détermine l'ampleur de la stabilisation des
fissures. [SGLA 01]
- 23 -

Chapitre 1 renforcement de verre
Donc le nouveau processus de renforcement emploie les deux étapes de l’échange ionique.
Pendant la deuxième étape certains des grands ions présents dans la première étape de l’échange
sont écartés, ce qui décale le maximum de contrainte de compression au dessous de la surface
[JILL 00]
Ainsi, le deuxième échange ionique réduit la contrainte de compression induite en surface par
le premier échange ionique et mène probablement à des contraintes résiduelles de tension (figure
1-12). Il a été constaté que quelque soit les précautions prises pendant le processus du renforcement,
et même si la couche obtenue contient un nombre appréciable des ions de potassium, il subsiste
toujours des contraintes de tensions résiduelles. Ce constat ne peut pas être expliqué uniquement par
la mécanique linéaire élastique de la rupture [GRIN 01].
1. EFFET DE LA TEMPERATURE ET LA DUREE DU TRAIITEMENT :
Aux basses températures (200°C à 250°C) la contrainte de compression maximale dans la
couche doublement échangée est égale ≈ 70% de celle obtenue dans la couche simplement
échangée. Cette différence est expliquée par la concentration en ions de potassium qui est moindre
dans la couche doublement échangée. Cependant, aux températures plus élevées (350 °C à 400°C)
l’effort de compression obtenu est de seulement ≈ 10 à 40% de celui d’une couche simplement
échangée. Ce résultat ne peut pas être dû uniquement au nombre réduit d’ions de potassium présent
dans la couche. La relaxation des contraintes à ces températures (point de ramollissement) pendant
l’échange doit jouer un rôle significatif. [VARN 77]
DUBIEL [DUBI 03], a montré l’effet de la température sure le double échange ionique réalisé
avant et légèrement après Tg. Il a constaté que l’échange ionique au-dessus de Tg est similaire à une
fusion d’un verre au potassium avec la même composition à ces températures se produit tout
simplement la relaxation structurale. Quand l’échange ionique est fait au-dessous de Tg, il y a
formation d’une couche en surface fortement résistante. Cette résistance est d’autant plus grande
que le degré d’échange ionique est important et la concentration en K + est élevée, il y a un
remplacement iso-structural .Si la température de l’échange ionique final est choisie au-dessus de
Tg les ions de potassium K+ diffusent en volume.
- 24 -

Chapitre 1 renforcement de verre
Le double échange ionique permet d’obtenir des contraintes à la rupture comparables à celles
obtenues par le simple échange ionique trempe unique, cependant une augmentation du nombre de
fissures sur la surface des éprouvettes chargées est remarquée. La durée du traitement est un facteur
déterminant pour le double échange, elle contrôle la stabilité des fissures. Green et al… présentent
un nouveau procédé pour diminuer le coefficient de variabilité de la résistance mécanique du verre
traitée par double échange ionique de 2%.
Par contre l’utilisation des solutions de sel fondues contenant plus de 30 mol% de NaNO ,
conduit au développement des fissures dans un verre trempé par double échange ionique [SGLA
01].
2. EFFET DE LA COMPOSITION DU BAIN DE L’ÉCHANGE SUR LES CONTRAINTE
RÉSIDUELLES :
L’utilisation des solutions de sel fondues contenant plus de 30 mol% de NaNO , conduit au
développement des fissures dans un verre trempé par double échange ionique.
Néanmoins, dans tout les cas de figure, une diminution significative de la dispersion est
observée (tableau 1.3). Une augmentation de l’écart type est prévue si les fissures superficielles ne
sont pas soumises à une compression superficielle uniforme.
condition Résistance
[MPa]
Oïl de silicone H2O
Coefficient de
variation(%)
résistance
[MPa]
Recuit 129± 23 17.8 107± 17 15.7
24hdans KNO 3 528 ±19 3.6 521± 45 8.6
120h dans KNO 3 422 ±34 8.1 406± 29 7.1
24h dans KNO3+30min
dans NaNO3/KNO3 120h dans KNO3+30min
dans NaNO3/KNO3
537 ±41 7.6 553± 45 8.1
425±22 5.2 438 ±28 6.4
3
Coefficient de
variation(%)
Tableau 1.13 : Contraintes à la rupture et variation standard pour différents conditions de
renforcement.
- 25 -
3

Chapitre 1 renforcement de verre
3. MESURE DE L’ÉPAISSEUR DE LA COUCHE COMPESSIVE PAR
PROFILOMETRIE
Parmi les procédés utilisés pour mesurer la profondeur de la couche renforcée est la
profilométrie. En premier, on procède au décapage de la couche par une solution à base d’eau et
d’acide Fluorhydrique (HF) ( ≈ 10wt %). On mesure par la suite à l’aide d’un profilographe
l’épaisseur de la couche omise. Cependant, cette méthode est peu fiable, vu le manque de données
correspondant au temps nécessaire et à la concentration adéquate de l’acide utilisé pour décaper
certaines couches.
.
- 26 -

Chapitre 2 Indentation
2-1. INTRODUCTION :
CHAPITRE 2
Indentation
Les phénomènes de contact concernent de nombreux matériaux lors de leur mise en œuvre ou de
leur utilisation, l’étude de ce comportement par indentation est donc d’une importance particulière.
Par ailleurs, l’indentation Vickers est aussi connue comme une technique de caractérisation de la
ténacité et de la résistance au choc thermique des matériaux fragile [FRAB ]. La nanoindentation a
une capacité de résolution spéciale très élevée et permet la mesure d’un point à autre le champ de
contrainte total induit par un traitement de recuit [KWAD 05]
La technique de l’indentation instrumentée des matériaux fragiles est largement répandue en
raison de sa simplicité et des informations qu’elle permet de donner. Elle est utilisée pour caractériser
les propriétés mécaniques de surface comme la dureté, le module d’élasticité ou encore la résistance à
la fissuration. Dans beaucoup de cas, elle est appliquée pour l’étude des revêtements déposés sur
divers types de substrats.
2-2. INDENTATION CLASSIQUE :
2-2-1. DIFFERENTS TYPES D’INDENTEURS :
a. INDENTATION BRINELL :
Le pénétrateur est une bille en acier trempé en carbure de tungstène ou en diamant, de diamètre
D. l’essai consiste à imprimer la bille sous l’action d'une charge P la surface d'un matériau (Figure
2.1). La charge est appliquée pendant une durée normalisée de quelques secondes. Par le retrait de
l’indenteur, on mesure le diamètre d de l’empreinte à l’aide d'un microscope.
Page 27

Chapitre 2 Indentation
Charge
(a (b
Figure 2.1 : Schéma de l’indentation Brinell.
Diamètr
(a) Etape de chargement, (b) Empreinte résiduelle [PERT 03].
L'aire superficielle de la calotte sphérique S laissée par la pénétration de l’indenteur bille est
fonction du diamètre initiale de la bille D et du diamètre de l’empreinte résiduelle d.
b. INDENTATION CÔNE :
Le pénétrateur est un cône en diamant d'angle 120° au sommet. La profondeur de l’empreinte
résultante est déterminée comme étant la différence entre les positions atteintes en précharge et à
pleine charge. La Figure 2.2 schématise le principe de cet essai.
Figure 2.2 : Schéma de l’indentation Rockwell [PERT03].
Page 28

Chapitre 2 Indentation
Un des avantages de l’essai Rockwell est que le nombre de dureté peut se lire directement sur un
cadre gradué.
c. INDENTATION VICKERS :
Dans l’essai Vickers , le pénétrateur est une pyramide en diamant à base carré.L’angle entre les
deux faces triangulaires opposées est de 136° et entre deux arètes opposées de 148°
d. INDENTATION KNOOP :
Figure 2.3 : Schéma de l’indenteur Vickers [PERT03]
L’indenteur knoop est une pyramide en diamant à base losange .Le plus petit angle entre les deux
arétes opposées à 130° et le plus grand angle entre les deux arétes opposées est de 172° 30 , .
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Chapitre 2 Indentation
Figure 2.4 : Schéma de l’indenteur Knoop [PERT 03].
e. INDENTATION BERKOVICH
L’indenteur Berkovich est une pyramide en diamant à base triangulaire. A titre d’exemple, la
figure 2.5 montre une empreinte Berkovich et des déformations rémanentes après l’essai.
Figure 2.5 : Empreinte Berkovich pyramidale à base triangulaire [PERT 03].
f. INDENTATION HERTZIENNE :
HEINRICH HERTZ a étudié en 1881 les solides soumis à un contact élastique dont les solutions
du champ de contrainte dans un matériau chargé à l’aide d’un indenteur sphérique (une bille de rayon
R) [PERT] . En 1882, HERTZ élargit son analyse et vérifie expérimentalement la relation entre la
charge appliquée et le rayon du cercle de contact entre la bille et le matériau sollicité [ANAT 04]
Page 30

Chapitre 2 Indentation
Dans le cas de l’indentation Hertzienne, le chargement d’une bille contre la surface d’un
matériau fragile engendre une fissure circulaire en surface autour de l’indenteur. Cette fissure évolue
sous forme conique en profondeur. Par contre, l’indenteur du type Vickers provoque un système de
fissures médiane /radial ou un système de fissures radiales de type palmaqvist (suivant le matériau
indenté et la charge appliquée), accompagné de fissures latérales.
g. SYNTHÈSE :
Figure 2.6 : Schéma du contacte sphère rigide/plan ou contacte de hertz [PERR 05]
Le Tableau 2.1 regroupe les définitions et les nombres de duretés des principaux essais de dureté
pénétration.
Tablea
u 2.1 : Principe et nombres de dureté des principaux essais de dureté par pénétration [PERT 03].
Page 31

Chapitre 2 Indentation
2-2-2.TYPE DE FISSURATION SOUS DIFFERENTES FORME DE
PENETRATEURS :
En général, les moyens utilisés dans ce type d’essai d’indentation se limitent à un appareil de
dureté ou de microdureté équipé d’uns système optique de visualisation. Dans le cas des matériaux
fragiles, il y a formation d’un système de fissures qui est généré à partir de l’empreinte laissée par
l’indenteur. Si l’indenteur a une forme sphérique (bille), on parle de l’indenteur Hertzien, il y a dans ce
cas formation d’une ou plusieurs fissures circulaire en surface (selon la charge appliquée) et d’une
fissure conique en profondeur. Dans le cas des indenteurs pointus (Vickers, knoop, Berkovich) il y a
formation d’un système de fissures aux coins de l’empreinte laissé par l’indenteur (Fig. 2.7, Fig. 2.8).
Dans tous les cas, on peut remonter à la détermination de la ténacité du matériau indenté à partir du
système de fissure formé.
(a) (b)
Figure 2.8 : Empreintes laissées par Figure 2.7 : Type de fissuration Engendrée par :
trois types d’indenteurs Pointus a) Indenteur émoussé. b) Indenteur pointu.
Sous l’empreinte d’indentation et pendant la pénétration de l’indenteur, il se crée des
déformations d’abord élastiques pour les faibles charges, puis élasto-plastiques pour les charges plus
élevées. Ces zones sont liées à une accumulation de dislocation. Ficher-Cripps a observé ces zones
sous une empreinte résiduelle Berkovich (Fig.2.9-a) .Il propose une schématisation de l’arrangement
des dislocations sous cette empreinte (Fig. 2.9-b).
Page 32

Chapitre 2 Indentation
Figure 2.9 : Déformation sous une empreinte d’indentation Vickers [ALBE 03] .
2-2-3. DOMAINES DE DURETE :
En pratique, nous pouvons constater que la dureté mesurée varie en fonction de la charge
appliquée. On distingue généralement quatre domaines de mesure de dureté : nano dureté, micro
dureté, dureté sous charge réduite et macro dureté. Les limites de ces domaines sont déterminées
suivant l’allure de la courbe de dureté en fonction de la charge d’indentation. Elles ne sont pas définies
de manière très précise. Cependant, on peut en donner un ordre de grandeur, comme on peut le voir sur
la Figure 2.10, qui représente la variation de la dureté en fonction de la gamme de chargement.
Figure 2.10 : Variation du nombre de dureté en fonction de la charge appliquée [PERT03]
Page 33

Chapitre 2 Indentation
On remarque sur cette figure que, selon le domaine de charge la dureté dépend ou non de la
charge d’indentation. Ceci permet de proposer trois grandes régions :
La macro dureté pour laquelle le nombre de dureté ne varie pas avec la charge.
La microdureté sous charge réduite où le nombre de dureté augmente généralement
quand la charge diminue.
La nanodureté, correspondant aux plus petites charges d’indentation, est une région où le
nombre de dureté peut croître ou décroître selon les cas.
2-2-4. CHAMP DE CONTRAINTE INDUIT PAR INDENTATION VICKERS :
Les contraintes résiduelles peuvent être mesurées par des méthodes d’essais non destructifs tels
que les techniques magnétiques, ultrasonores, de diffraction des rayons X. D’autres méthodes
localement destructives sont aussi utilisées tel que le trou forant, le tronçonnage en tranches,…. [JASS
00]. Un indenteur pointu, tel que l’indenteur Vickers induit une zone de plasticité semi- sphérique sous
l’indentation.
Figure 2 .11 : Géométrie de la zone plastique semi-sphérique
Sous l’indenteur [ANAT 07]
Cette zone s’étend en fonction de la charge d’indentation contre le milieu élastique. Il
ya présence d’un champ de contrainte élasto-plastique. Le champ élastique correspond au Boussinesq
induit par force ponctuelle. L’accommodation du volume déplacé de l’empreinte résiduelle sous
forme de zone plastique contre le milieu élastique du matériau induit des contraintes résiduelles.
Celles-ci jouent un rôle important dans l’évolution des fissures radiales et latérales, durant et après le
Page 34

Chapitre 2 Indentation
déchargement de l’indenteur. En considérant la zone plastique comme une cavité sphérique en
expansion contre le milieu élastique [ANAT 07].
La description analytique de l’évolution du défaut induit nécessite une connaissance précise du
champ de contrainte dans lequel celui-ci se trouve .La figure 2-12 donne une description de l’état de
contrainte ainsi calculé.
Figure 2.12: Vue en surface (partie supérieure) et en profondeur (partie inférieure) des
directions des contraintes principales σ11, σ22, σ33 cité par [BOUA 08].
Trois contraintes σ11, σ22, σ33 se développent. La région de contact entre la bille et le matériau
subit des contraintes de compression à l’intérieur du cercle de contact mais des contraintes de tension à
l’extérieur.
A) En surface : Deux contraintes principales notées σ11, σ22 interviennent (fig. 2.12). σ11
est une contrainte de traction radiale à l’extérieur du cercle de contact. Cette contrainte agit en
compression. La contrainte σ33 est une contrainte circonférentielle de compression.
B) En profondeur : le champ de contrainte est plus complexe. La figure (2.12) montre
schématiquement les grandes lignes de ce champ, qui est symétrique autour de l’axe d’indentation. La
contrainte σ33 est une contrainte de compression qui décroit.
Le champ de contraintes ainsi décrit permet de rendre compte du comportement du défaut
médian pendant le chargement de l’indenteur [LAWN 77]
Page 35

Chapitre 2 Indentation
2-2-5. SEQUENCES DE L’INDENTATION POINTU :
Les observations réalisées sur le verre montrent que les phases de chargement et de
déchargement d’un indenteur aigu peuvent être décrites par la série des six schémas présentés dans la
figure ci-dessous [KELK 03].
a) Début de chargement : L’indenteur pointu induit une zone de plasticité irréversible.
b) Chargement critique : Pour une certaine charge critique, un ou plusieurs défauts à
l’intérieur de la zone de déformation plastique deviennent instables initiant les fissures médianes.
Celles-ci de forme circulaire évoluent sous l’indenteur suivant les plans contenant les diagonales de
l’empreinte et l’axe de chargement.
charge.
c) Croissance stable : Les fissures médianes se propagent de façon stable en fonction de la
d) Début de déchargement : les fissures médianes se ferment avec la diminution du champ
élastique. Cependant, elles s’ouvrent simultanément, au niveau de la surface, sous l’effet des
contraintes résiduelles.
e) Effet des contraintes résiduelles : Les contraintes résiduelles devenant prédominants
pendant le déchargement continuent à propager les fissures radiales et avant le déchargement complet
elles initient des fissures latérales à la base de la zone de déformation. Celles-ci évoluent de façon
circulaire parallèlement à la surface.
f) Déchargement complet : Les deux systèmes continuent à se propager jusqu’à la fin du
déchargement tendant vers une forme semi-circulaire.
Page 36

Chapitre 2 Indentation
Figure 2.13: Séquences et profil des fissures dans le cas de l’indentation Vickers durant un
cycle de chargement-déchargement des systèmes médian/radial et latéral [BOUT 96].
2- 2-6. TYPE DE FISSURES GÉNERÉES PAR INDENTATION
On constate trois types de fissures causées par un pénétrateur pyramidal Vickers.
a-Fissure médiane : Elle s’étend en profondeur pendant le chargement et atteint sa taille
d’équilibre mécanique à la charge maximale.
b-Fissure radiale : Elle s’étend en surface à partir des angles de l’indenteur, une fois que la
charge est supprimée. Elles se développent sous l’effet des contraintes résiduelles.
C- Fissures latérales : Elles proviennent également de l’action des contraintes résiduelles
[PERT03]. Ces fissures se développent presque parallèles à la surface et sont responsables de
l’écaillage de l’échantillon.
Page 37

Chapitre 2 Indentation
Figure 2.14: Système de fissures engendrées par indentation Vickers réf
Les fissures latérales, radiales et médianes, se combinent pour former le profil de fissures (voir
fig. 2.15) ayant un :
Figure 2.15 : Fissures sous indentation
(a)de type médiane et (b)de type Palmqvist [PERT03]
Page 38

Chapitre 2 Indentation
a- Profil Palmaqvist : Lorsque la charge appliquée est faible et ténacité est forte tel que :
(c/a

Chapitre 2 Indentation
Lorsque l’indenteur est soumis à une charge donnée, il pénètre dans le matériau d’autant plus
facilement que celui-ci est mou. Lors du retrait, il subsiste dans le matériau une empreinte résiduelle de
forme similaire à celle de l’indenteur entourée d’une zone locale déformée plastiquement.
En général, on utilise un indenteur approprié qui dépend de l’application. Le plus utilisé est de
type pyramidal qui est réservé aux matériaux durs et fragiles et aux couches minces dures. La longueur
et le type de fissures obtenues sont fonction des facteurs suivants :
Vitesse d’application de la charge.
Valeur de la charge appliquée.
Forme de l’indenteur et le type de réseau de fissures induit.
Selon la forme de l’indenteur on distingue : le pénétrateur sphérique et les pénétrateurs pointus.
2-3-3. DISPOSITIF DE L’INDENTATION INSTRUMENTÉE
L’indentation instrumentée a également été incluse dans les normes internationales.
Figure 2.16 : Représentation schématique du dispositif expérimental de nanoindentation
[PERR 05].
Microscope optique, ce qui rend possible l’observation des empreintes et
éventuellement des microfissures.
Capteurs de charge et de déplacement extrêmement sensibles.
Page 40

Chapitre 2 Indentation
Visualisation des empreintes sur un écran de d’ordinateur.
a- TYPES DE PENETRATEURS UTILISES
Les méthodes étudiées dépondent des différents pénétrateurs utilisés et correspondent
respectivement aux cas suivants :
[ANTH 04].
Indenteur de forme cylindrique (méthode de Sneddon revu par H .C Fisher- Gripps)
Indenteur de forme conique (approximation du cas cylindrique) [DOEN 86].
Indenteur de forme sphérique [PHAR 92].
Indenteur de forme pyramidale (Berkovich, Vickers et Knoop) [PHAR 92].
Des travaux expérimentaux de la dureté, réalisée par Tabor et N .A . Stillew [BOUR 08], sur
des métaux avec des indenteurs de formes sphérique et conique ont montré que les empreintes
résiduelles conservent les formes géométriques de l’indenteur .A partir de ces observations, ils ont
montré que la courbe de déchargement et le retour de déplacement élastique peuvent être reliés de
façon précise au module d’élasticité et à l’empreinte résiduelle pour les 2 types d’indenteurs sphérique
et conique.
2-3-4. PRINCIPE DE LA TECHNIQUE DE L’INDENTATION
INSTRUMENTÉE
Le MHT utilise une technique largement répandue consistant à enfoncer la pointe d'un indenteur
de géométrie bien définie à la surface d'un échantillon, en appliquant une charge normale croissante.
Lorsque la valeur de la force normale atteint son maximum, cette dernière est réduite jusqu’à
l'obtention d'une relaxation partielle ou totale du matériau. Cette procédure est réalisée de manière
répétitive. A chaque étape de l’analyse, la position relative de l'indenteur par rapport à la surface de
1'échantillon est constamment contrôlée par le biais de capteurs capacitifs différentiels [WATR 06].
Pour chaque cycle de charge et de décharge, la force appliquée est exprimée en fonction de la
position de l'indenteur correspondante. Les courbes résultantes fournissent des données spécifiques sur
les propriétés mécaniques du matériau. Des modèles sont employés à partir de ces données pour
déterminer la dureté et le module élastique.
Page 41

Chapitre 2 Indentation
2-3-5. DIFFERENTS MODELES ET ANALYSES:
Dans l'essai de l'indentation instrumentée un corps pyramidal (par exemple la pyramide de
Vickers (v) ou Knoop (k)) est enfoncé dans l'échantillon test, tandis que la force F d'indentation et la
profondeur de pénétration h sont recueillies simultanément. La déformation sous la charge est la
somme de la déformation verticale du contact de la pénétration (déformation plastique) et les
déformations élastiques de la surface du périmètre du contact [PETI 06]. Les données (charge-
déplacement) dérivées de l’indentation instrumentée peuvent être utilisées pour déterminer les
propriétés mécaniques même dans le cas de très faibles charges où les empreintes d’indentation sont
difficiles à visualiser [PHAR 92].
Les courbes charge-profondeur sont par la suite traitées numériquement [ULLN02] [PETI 06].
Figure 2.17 : Courbe charge – déplacement (pénétration) lors de l’indentation
instrumentée [ROOP 02]
La courbe charge-déplacement permet de calculer les paramètres nécessaires qui sont la charge
maximale(Fmax), la profondeur à la charge maximale (hmax) et la rigidité de contact au déchargement
initial(Smax) [ROOP 02]
Page 42

Chapitre 2 Indentation
En général les charges appliquées sont si petites que l’empreinte résiduelle est si faible qu’elle
peut difficilement être mesurée par une microscopie optique. C’est en partie pour cette raison que la
méthodologie utilisée en nano indentation est différente. On étudie l’évolution de la force normale en
fonction de la profondeur de pénétration. En effet lors d’un test de nano indentation, le déplacement de
l’indenteur est mesuré pour des forces appliquées croissantes puis décroissantes. Cette technique
permet de déterminer non seulement la dureté H d’un dépôt de faible épaisseur, mais également le
module d’Young E du revêtement. La figure (2.17) présente le cycle chargement-déchargement de
l’indenteur.
Sneddon(1964) qui a établit des relations générales entre la charge-déplacement et surface de
contact pour tout poinçon décrit par un solide de révolution. Sneddon a montré que la relation chargedéplacement
pour plusieurs géométries simples peut être donnée par : [PHAR 92]
P : charge
A : la surface projetée.
Pour :
m=1(cylindre)
m=2(conique)
m=3(sphère et paraboloïde)
(2-1)
De la courbe charge-pénétration, la partie chargement de la courbe souvent dominée par une
déformation plastique caractérise la dureté comme elle a été définie par Martens. Une dureté
universelle peut être calculée à partir de la force maximale Fmax et la profondeur maximale de
pénétration hmax. Ce type de dureté est appelé dureté Martens dans nouvelle norme ISO/DIS145772
[ULLN02].
Dans le cas d’un indenteur Vickers elle s’écrit :
(2.2)
La dureté de Martens, basés sur la pente du rétablissement élastique du matériau déformé peut
être estimé comme suit :
Page 43

Chapitre 2 Indentation
(2.3)
La déformation plastique peut etre calculée à partire de la séparation de la déformation élastque
de toute déformation enregistrée en employant la pente du déchargement initiale S équation (2.4). ES
est le module élastique de l’échantillon et Ed celui de l’indenteur respectivement,
(2.4)
(2.5)
(2.6)
Ed=1000GPa et =0.3 sont les constantes élastiques de l’indenteur diamanté. La pente S
provient du rétablissent élastique du matériau déformé. Elle peut être estimée à partir du matériau
déformé ainsi qu’à partir de la courbe de déchargement à la charge maximale Fmax.
La pente de la courbe de déchargement donne accès au module d’Young des films minces. La
pente S mesurée avec le module de Young (EIT) et peut être employée pour son calcul (relation 2.7)
[BERN 06].
(2.7)
Pour déterminer E et H, il faut donc connaître le plus précisément possible l’aire de contact qui
dépend de la forme de l’indenteur et de la profondeur indentée, mais il faut également tenir compte de
la complaisance de l’appareil. Cette méthode est basée sur l’hypothèse que l’aire de l’empreinte est
confondue avec l’aire de l’indenteur à la charge maximale. Selon Oliver et Pharr, à partir
d’observations d’empreintes, la profondeur de pénétration finale hf permet d’obtenir une meilleure
approximation de l’aire de contact que celle déduite de hmax [BERN06].
Page 44

Chapitre 2 Indentation
Par ailleurs, Dorner et Nix (1986) indiquent que dans les premiers instants de la décharge, le
comportement élastique du contact est similaire à celui d’un indenteur cylindrique plat. Ils appuient
leur raisonnement sur le fait que pour certains matériaux, la partie supérieure de la courbe de
déchargement peut être assimilée à une droite. Ils déterminent alors une profondeur hc, comme étant
l’intersection de l’extrapolation de la courbe de décharge et de l’axe correspondant à F=0. La
profondeur hc étant connue, il est facile de déterminer l’aire de contact à partir de la géométrie de
l’indenteur et donc le module d’Young à partir de l’équation 2.8 et la dureté à partir de l’équation2.16 :
À partir de l’équation 2.15:
(2-8)
Où, Ei et νi sont respectivement le module d’Young et le coefficient de Poisson de
l’indenteur; EE et VE sont respectivement le module d’Young et le coefficient de Poisson de
l’échantillon et en déduire Er à partir de la relation 2.9
(2-9)
Avec :
Se : la raideur de contact de l’échantillon déterminée dans la partie supérieure de la Courbe de
déchargement,
P : Charge appliquée
h: Profondeur indentée
A : l’aire de contact
Er : le module d’Young réduit, ou module d’élasticité apparent que l’on peut exprimer
Par la relation (2-8).
Oliver et Pharr estiment quant à eux que l’on ne peut extrapoler le début de la courbe de
déchargement par une loi linéaire mais par une loi de type puissance compte tenu de l’évolution de
l’aire de contact au cours du déchargement. Pour avoir une bonne estimation de la raideur S, ils
proposent la relation :
Page 45
(2-

Chapitre 2 Indentation
(2-11)
Les paramètres A, m, et hf (profondeur résiduelle d’empreinte) sont ajustés sur les points
expérimentaux par les moindres carrés. La raideur est déduite en différenciant la relation :
(2-12)
Afin de trouver l’aire de contact, ils expriment la profondeur de contact comme étant égale à
hc=hmax−hs
h=ε.p⁄s
(2-13)
(2-14)
Où ε varie en fonction de la géométrie de l’indenteur .Il est égal à 0,75 pour un Indenteur
Parabolique et 0,72 pour un indenteur conique et prend la valeur 1 pour un indenteur plat. Les
Différentes profondeurs sont représentées sur la figure 2.18.
Figure 2.18 : Représentation d’une indentation en section [ULLN 02].
Une première méthode consiste à effectuer une série d’empreintes dans un matériau parfaitement
connu ayant une dureté constante et à mesurer l’aire de contact à l’aide de moyens tels que le
microscope électronique à balayage ou encore le microscope électronique en transmission. Cette
technique très coûteuse en moyens et en temps est fondée sur l’hypothèse que le matériau n’est pas
affecté par la décharge, plus précisément que sa composante élastique est négligeable.
Les autres méthodes découlent directement de l’exploitation des courbes charge-décharge
obtenues avec des matériaux donnés.
Page 46

Chapitre 2 Indentation
a. HYPOTHESES DE LA METHODE D’OLIVER ET PHARR
La méthode de calcul du dispositif d’indentation instrumentée utilisé dans nos essais
expérimentaux se base sur les hypothèses d’Oliver et Pharr.
L’objectif de la méthode d’Oliver et Pharr consiste essentiellement à pouvoir séparer les
contributions élastiques et plastiques à la réponse du système. Ainsi, il devient possible de traiter la
partie élastique à la réponse du système à l’aide des équations analytiques fournies par Hertz, Sneddon
[PERR05].
• Oliver et Pharr font les deux hypothèses suivantes :
La décharge infinitésimale d’un indenteur axisymétrique quelconque est décrite par les mêmes
équations que la décharge d’un poinçon plat de même aire de contact.
En effet, si on considère la raideur du contacte S on obtient :
S =2aE *
Où a est le rayon du contact. Dans le cas d’un contact purement élastique, cette équation est
toujours valable. Ce qui consiste à dire que, même si l’échantillon a subi une déformation plastique la
décharge infinitésimale est de nature purement élastique et donc l’équation (2.15) est toujours
applicable.
Le grand intérêt de cette formule est que, bien qu’établie initialement pour des indenteurs
axisymétrique; son utilisation pour des indenteurs pyramidaux tels que les pointes Vickers ou
Berkovich induit des erreurs inférieures à 5%. Dans la pratique, on assimile souvent un indenteur
pyramidal à son cône équivalent, défini comme étant celui dont la section possède la même aire de
contact A à toute distance du sommet de la pointe. Ainsi une pointe Berkovich est équivalent à un
indenteur conique de demi-angle au sommet w= 70,3° le rayon du cône équivalent d’un indenteur
pointe non axisymétrique est alors défini comme a=√A/π ou A est la surface de le zone de contact (fig.
2.19).
La déflexion hs de la surface à l’extérieure de la zone de contacte est supposée de nature
purement élastique, cette hypothèse est dans le cas d’un contacte élasto-plastique d’autant plus vraie
que l’on considère un point éloigné de la surface confinée sous le contacte (fig. 2.20).
Page 47
(2-15)

Chapitre 2 Indentation
Figure 2.19 : Décharge infinitésimale d’un indenteur de forme quelconque équivaut à la
décharge infinitésimale d’un poinçon plat de même rayon de contact.
Oliver et Pharr se placent donc dans le cas d’un matériau homogène, élasto-plastique linéaire et
font l’hypothèse que le comportement plastique du matériau indenté est de type sink –in, par
opposition au comportement pile –up (fig. 2.21). Ce dernier se caractérise en effet par la formation de
bourrelets plastique autour de la pointe, rendant ainsi invalide l’hypothèse d’une déflexion élastique
hors du contacte.
• Les trois équations d’Oliver et Pharr :
réécriture de :
La méthode d’Oliver et Pharr se compose de trois équations. La première est en fait une
E * =S/2ßa
Où ß est un coefficient correcteur de l’ordre de 1 que compense la nano-axisymétrie de
l’indenteur. Cette équation fournit le module réduit du matériau à partir de la raideur S du contacte
(observation expérimentale) et du rayon de contacte (a)qui est une inconnue du problème.
Page 48
(2-16)

Chapitre 2 Indentation
Figure 2.20 : Représentation schématique des grandeurs introduite par
Oliver et Pharr.
Figure.2.21.Représentation schématique des comportements de type
Sink –in (a) ou pile (b)
La seconde équation a justement pour objet de déterminer le rayon de contacte. Oliver et Pharr
introduisent la hauteur hs qui traduit la déflexion élastique du matériau. Par définition de ces deux
grandeurs et de la pénétration (voir figure 2.20)
Ils écrivent :
h = δ − h
s
c
Sous l’hypothèse que hs est élastique, on obtient :
Page 49
(2-17)

Chapitre 2 Indentation
h s
P
= δ − ξ
a
Ou ε est un paramètre traduisant la géométrie de la pointe (ε=0,75) pour une sphère et ε=2/π (π-
2) pour un cône). Il est alors facile, connaissant la géométrie de la pointe d’indentation, de déduire la
valeur du rayon de contacte a à partir de hc. La Contribution plastique à la pénétration est donc bien
prise en compte, mais elle est supposée entièrement retrouver dans hc.
suivante :
Enfin, Oliver et pharr évaluent la dureté H du matériau par le biais de la formule
On notera toutefois que cette formule fournie une valeur différente de celle obtenue par la
méthode classique qui consiste à faire le rapport de la force appliquée sur la surface de l’empreinte
résiduelle. En effet, cette définition de la dureté prend en compte à la fois la déformation plastique
mais aussi la déformation élastique à la charge considérée. De fait, la dureté d’Oliver et Pharr tient
plus de la pression élasto-plastique moyenne dans le contacte que de la dureté minéralogique.
[PERR05]
H
=
P
π a
Pour le calcul, les paramètres nécessaires sont la charge maximale (Fmax), la profondeur à la
charge maximale (hmax) et la rigidité de contact au déchargement initial (Smax).lors du déchargement,
la déformation élastique et l’empreinte résiduelle de dureté sont relevées après enlèvement du
pénétrateur. De la courbe charge-pénétration, la partie chargement de la courbe, souvent dominée par
une déformation plastique, caractérise la dureté [UIIN 02], [MALO 08].
Elle est fondée sur la pente du rétablissement élastique du matériau déformé. Elle peut être
estimée à partir du matériau déformé ainsi qu’à partir de la courbe de déchargement à la charge
maximale Fmax. La pente de la partie déchargement de la courbe charge-pénétration permet de
déterminer le module élastique. Pendant le processus de déchargement, on observe le retour élastique
au voisinage du contact. La courbe de déchargement linéaire peut être approchée par sa tangente au
point de contact des deux courbes charge- décharge.
2
Page 50
(2-18)
(2-19)

Chapitre 3 : Matériaux et procédure
expérimentale
3-1. BUT DU TRAVAIL
CHAPITRE 3 :
Matériaux et procédure expérimentale
La mise au point de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques de fabrication, a permis,
durant la dernière décennie d’améliorer de façon considérable les propriétés mécaniques des
matériaux fragiles, ses mêmes propriétés ont permis d’envisager leur utilisation dans plusieurs
domaines d’application malgré l’handicap de leur fragilité.
Les défauts préexistants en surface dans ces matériaux en particulier le verre, qui est le
matériau fragile par excellence, deviennent instables sous l’effet d’une contrainte appliquée
(mécanique ou thermique) et conduisent à leur rupture. Dans le but de neutraliser l’effet de ces
fissures, on a opté pour un traitement de renforcement superficiel par le simple et le double
échange ionique.
Notre travail consiste à optimiser les paramètres expérimentaux (température, temps de
maintien) relatifs à ce renforcement thermochimique d’un verre silico-sodo-calcique.
Le contrôle du verre renforcé, est fait par des méthodes mécaniques (indentation
instrumenté, essai de flexion).
3-2. VERRE UTILISE
On a utilisé un verre commercial plat de type silico- sodo –calcique. Il est fabriqué par
flottage par l’entreprise méditerranéen flot glass, filial de CEVITAL (Algérie), d’épaisseur (3mm).
3-2-1.COMPOSITION CHIMIQUE
La composition chimique moyenne du verre donnée par le fournisseur, lot fabriqué est donnée
dans le tableau 3.1
Oxydes SiO2 CaO MgO K2O+Na2O FeO3 SO3 Al2O3
en masse % 71 ,8 8,7 4,38 13,8 0,07à0,075 0,25 1
Tableau 3.1: Composition chimique du verre utilisé en pourcentage de masse
Page 51

Chapitre 3 : Matériaux et procédure
expérimentale
3-2-2.CARACTÉRISTIQUE USIELLES À LA TEMPÉRATURE AMBIANTE
Les caractéristiques physiques du verre utilisé ont été mesurées à la température ambiante
(tableau 3.2).
Propriétés Valeurs et unités Technique de
Page 52
mesure
Module élastique E 72 GPa Grido-sonic
Coefficient de dilatation thermique 8.1x10 -6 °C -1
dilatomètre
Température de transition Tg 530 °C dilatomètre
densité 2.52 g/cm 3
Dureté Vickers HV 4.7 GPa duromètre
Coefficient de Poisson 0.22 GPa ultrasons
Ténacité KIC
0.74 MPa.m 1/2
Transmission optique℅ 92 ℅
Pycnomètre à Hélium
Flexion S.E.N.B
Indice de réfraction 1.52 Réfractomètre d’Abbé
3-3. SELS UTILISE
Tableau 3.2 : Quelques propriétés physiques du verre utilisé.
Le nitrate de Potassium KNO3 a été utilisé pour le traitement superficiel du verre par simple
échange ionique et le nitrate de Sodium de formule chimique NaNO3 Pour le double échange ionique.
Ses caractéristiques essentielles sont rassemblées dans le tableau 3.3.
Sels utilisés Masse moléculaire
(g /mol)
Température de fusion
(°C)
KNO3 101,11 334 2,109
NaNO3 84,9947 307 2,26
Densité (g/cm 3,
solide)
Tableau 3.3 : Caractéristiques usuelles des deux sels KNO3 et NaNO3

Chapitre 3 : Matériaux et procédure
expérimentale
3-4. DISPOSITIF EXPERIMENTAL :
3.4.1- LE DUROMETRE ZHU 2.5 :
Le dispositif principal, utilisé lors de ce travail, est le duromètre instrumenté. Une photo
représentative du Duromètre ZHU 2,5 de marque : Zwick/Rolle (Zwick Hardiesse Unity) de
charge maximale 2,5 KN est représenté sur la figure 3.1.
Figure 3.1 : Duromètre ZHU 2,5.
Le schéma de principe de fonctionnement est montré sur la figure 3.2. Il est constitué de
trois parties principales:
a) l’indenteur, b) le microscope optique, c) la table XY. Il est équipé d’une tête de mesure
de dureté munie d’un pénétrateur Vickers monté sur la colonne suspendue par des ressorts
flexibles. Son mouvement est contrôlé par un double condensateur mobile. Le microscope optique
est équipé d’une tourelle porte-objectifs (munie de trois objectifs, les grossissements sont 10x, 20x
et 40x).
Il est relié directement à une caméra, pour sélectionner la position des indentations,
communiquant avec un adaptateur placé entre le microscope et la camera CCD.
Les échantillons sont montés sur une table XY à mouvements croisés. La force, est
appliquée à l’aide d’un système électromagnétique, bobine-aimant, qui permet de faire varier les
Page 53

Chapitre 3 : Matériaux et procédure
expérimentale
vitesses de mise en charge ou de décharge de plusieurs ordres de grandeurs en contrôlant le
courant dans la bobine.
L’appareil de mesure est piloté par un système informatique dont le logiciel permet de faire
le dépouillement des données de façon quasi automatique. Entre autre, les mesures quasi-statiques
de la charge, du déplacement et du temps.
Les conditions de l’essai sont les suivantes :
Type de dureté : Dureté Martens
Pénétrateur : Vickers
Temps de maintien de la charge maximale : 15 s, 5s
Vitesse de charge : 250 μm/min
Vitesse de décharge: 250 μm /min
Température de l’essai : ambiante.
Figure 3.2 : Schéma de principe du micro-indenteur [BOUD 96]
Page 54

Chapitre 3 : Matériaux et procédure
expérimentale
Une procédure d’indentation est établie sous forme de plusieurs segments :
a- « Segment d’Approche (A) », b- « Segment de Chargement (CC) », c- « Segment
de Déchargement (CD) », et d- « Segment de Maintien (M). La figure 3.3
représente une séquence typique de la procédure d’indentation instrumentée.
Figure 3.3. Séquence typique de la procédure d’indentation instrumentée [BOUD 96].
3.4.2- FOUR ÉLECTRIQUE
Un four électrique de marque « FILL MANFREDI » muni d’un régulateur de température et
d’un thermocouple est utilisé pour les deux trempes chimiques réalisées. Il affiche : les temps, les
températures, la vitesse de chauffage et la vitesse de refroidissement.
Pendant l’exécution du programme, il affiche successivement : le temps de démarrage, la
température du premier palier, le temps de maintien. Deux bacs en acier contenant la solution de sel
dans lesquels on peut plonger 4 échantillons à la fois. La température du four peut aller jusqu’à
1000°C.
Page 55

Chapitre 3 : Matériaux et procédure
expérimentale
3-4-3. AGITATEUR
Figure 3.7: four électrique
Figure 3.8 : Agitateur
Page 56

Chapitre 3 : Matériaux et procédure
expérimentale
3-4-4. BALANCE
3-4-5. FORMULES UTILISÉS
a. DURETE VICKERS
Figure 3.9 : Balance
La dureté d’un matériau est la résistance qu’il propose à sa pénétration, par un corps pointu
plus dure. Le microduromètre utilisé à une gamme de charges variant entre 1N et 10N. La dureté
Vickers HV est donnée par la formule suivante :
2a= diagonale de l’empreinte.
Page 57
(3.1)
En plus de cette empreinte, on remarque la naissance d’un système de fissures en surface.
C’est l’évolution des fissures radiales qui émanent des quatre angles de l’empreinte ; qui permettent
de déterminer la ténacité du matériau.

Chapitre 3 : Matériaux et procédure
expérimentale
b. TENCITÉ EN FONCTION DE CHARGE MAXIMALE
Il existe plusieurs formules pour calculer la ténacité par indentation Vickers. Dans notre cas, on
a choisi la formule de G. R. Anstis et al. [BOUT 96] pour le verre:
KIC = 0,0154 (E/H) 1/2 . (P/c 3/2 ) [MPa.m 1/2 ] (3.2)
Où : E est le module d’élasticité, H : la dureté, P : la charge appliquée et c : la longueur des
fissures latérales.
c. EVOLUTION DE L'ÉPAISSEUR ELVÉE PAR HF :
Où : V : le volume de l'échantillon en verre [cm 3 ].
S : la section de l’échantillon [cm 2 ].
La perte de masse [g].
g : densité de l’eau [g/cm 3 ].
[µm] (3.3)
2-5. PRÉPARATION DES ÉCHANTILLONS ET DÉROULEMENTS DES ESSAIS
A l’aide d’une tronçonneuse à meule diamantée, nous avons tronçonné tous les
échantillons à partir de la même plaque de verre. Les dimensions des échantillons sont (60x12x3)
mm 3 . Les échantillons ont été chanfreinés sur les bords, afin d’éviter toute cassure.
Dans premier temps, nous avons réalisé le recuit pour tous les échantillons. En chauffant
les échantillons de verre jusqu'à une température de 530°C, correspondant à la température de
transition Tg de ce verre. La vitesse de chauffe du four est de 1°C/min. Après le maintien d’une
demi heure à cette température, les échantillons sont refroidis très lentement dans le four, avec la
même vitesse.
Page 58

Chapitre 3 : Matériaux et procédure
expérimentale
La première trempe chimique a été réalisée en chauffant les échantillons de verre à une
température de 480°C, puis on les immerge dans un bain de sels fondu de nitrate de potassium
(KNO3), à la même température (dans le four) durant 2 h, 20h et 50h. En sortant les échantillons
du bain de KNO3, ils refroidissent dans le four avec une vitesse de 3°C/min.
Sur une partie de ces éprouvettes traitées une première fois, une deuxième trempe a été
réalisée dans un bain de nitrate de sodium (NaNO3) à une température de 480°C. Le maintien est
de 30 min pour les échantillons ayant subi une première trempe durant 2h et un maintien de 1h
pour les échantillons traités par simple échange ionique de 20h et de 50h.
Pour déterminer la dureté, la ténacité et le module de Young, nous avons réalisé des empreintes
d’indentation Vickers avec les différentes charges (1 à 10 N), et ce pour chaque état du verre.
Pour déterminer l’épaisseur de l’échange ionique, et connaître le module de Young pour
chaque profondeur, nous avons procédé par décapage chimique. On couvre toutes les faces de
l’éprouvette à l’exception d’une seule face avec de la silicone. Ensuite, nous pesons l’échantillon
couvert. Puis on plonge l’échantillon dans une solution d’acide fluorhydrique diluée (2 %) durant
un temps donné (1 min). La solution est agitée à l’aide d’un agitateur magnétique. Après avoir
retiré, lavé puis séché l’échantillon, nous renouvelons la pesée. La perte en masse, le volume de
l’échantillon, et la densité du verre nous permettent de remonter à l’épaisseur décapée. Nous
effectuons l’essai d’indentation puis on refait la même opération et ainsi de suite. Cette procédure
permet de déterminer le profil des contraintes et, de la dureté et du module élastique sur la couche
ayant subi l’échange ionique.
Page 59

Chapitre 4 : Résultats et analyses
CHAPITRE 4
Résultat et Analyses
4.1-ESSAIS DE CARACTÉRISATION
Dans cette partie, nous avons réalisé des défauts contrôlés (indentations Vickers) avant
et après les traitements thermochimiques. Nous avons 6 types d’échantillons: verre recuit,
verre ayant subi un simple échange ionique de 2 h, de 20 h et de 50 h et verre ayant subi un
double échange ionique durant 30 min et durant 90 min.
2
2
Figure 4.1 : Empreintes et fissures induites par indenteur Vickers avec une charge de 7
N sur du verre recuit
Nous avons mesuré les longueurs des fissures radiales (2C) dans les deux directions
orthogonales (parallèles et perpendiculaires, figure 4.1) sur chaque état recuit et trempés
chimiquement (simple et double échange ionique). Les charges employées sont comprises
entre (1 N et 10 N). La mesure des longueurs des fissures a été faite à l’aide d’un microscope
optique intégré au microduromètre.
Page 60

Chapitre 4 : Résultats et analyses
4.2- SIMPLE ECHANGE IONIQUE
4.2.1- LA PÉNÉTRATION EN FONCTION DE LA CHARGE
Les figures 4.2 et 4.3 montrent respectivement l’évolution de la pénétration en fonction
de la charge d’indentation (1N-10N) et des courbes charge-décharge obtenues dans le cas du
verre recuit et du verre trempé chimiquement à différents temps de maintien (2h, 20h, 50h).
Les valeurs de la pénétration pour les différents types de verre sont comprises entre
[3.12 ± 0.085 μm et 10.5 ± 0.278 μm]. La même tendance est observée pour tout les cas du
verre.
Pour les quatre types de verre, nous remarquons que l'allure des courbes est similaire.
Les cycles chargement des courbes ne sont pas linéaires, les réponses sont de ce fait
réversibles. C'est-à-dire qu'a cette échelle, le verre recuit et le verre renforcé par échange
ionique se comportent d'une manière élasto-plastique. La profondeur finale est presque la
même pour tous les verres.
Figure 4.2 : Evolution de pénétration en fonction de la charge d’indentation P pour
différents types de verres.
Page 61

Chapitre 4 : Résultats et analyses
Force standard en N
6
4
2
0
Recuit
Echange
ionique
0 5 10 15 20 25
Pénétration en µm
Page 62
Echange
ionique
Echange
ionique
Figure 4.3 : Courbes charge-décharge pour les différents types de verre ayant subi un simple
échange ionique à différents temps de maintien avec une charge de 5 N.
4.2.2- OBSERVATIONS MICROSCOPIQUES
Les micrographies optiques suivantes montrent des empreintes d’indentation Vickers
qui obtenues sur du verre recuit et de verre trempé chimiquement pour un temps de maintient
égal à 2h, 20h, 50h. Sous des charges de 2-3-4-5 et 7N. On remarque que la longueur des
fissures radiales augmente en fonction de la charge. On constate l’apparition de l’écaillage
pour les indentations obtenues à 7N du verre traité chimiquement.

Chapitre 4 : Résultats et analyses
a- V
erre recuit
P=2N P=3N
P=4N P=5N
Figure 4.4: Micrographie d’indentations obtenues sur le verre recuit (gross. 20x)
Page 63
P=7N

Chapitre 4 : Résultats et analyses
b-
Trempé chimiquement durant 2h :
P=2N P=3N
P=4N P=5N
Figure 4.5: Micrographie d’indentations obtenues sur le verre trempé chimiquement
depuis 2h (gross. 20x)
Page 64
P=7N

Chapitre 4 : Résultats et analyses
c- T
rempe chimiquement durant 20h :
P=2N P=3N
P=4N P=5N
Figure 4.6: Micrographie d’indentations obtenues sur le verre trempé chimiquement
depuis 20h (gross. 20x)
Page 65
P=7N

Chapitre 4 : Résultats et analyses
d- T
rempé chimiquement durant 50h :
P=2N P=3N
P=4N P=5N
Figure 4.7: Micrographie d’indentations obtenues sur le verre trempé chimiquement depuis 50h
(gross. 20x)
Page 66
P=7N

Chapitre 4 : Résultats et analyses
4.2.3- DURETÉ
L’indentation instrumentée est une technique récente, elle permet de mesurer deux
propriétés essentielles: la dureté H et le module de Young E. La dureté est mesurée en un
point quelconque tout au long du cycle de chargement (courbe : charge- pénétration).
Sur la figure 4.8, nous avons représenté la variation de la dureté Vickers, pour les
différents échantillons recuits et trempés chimiquement, en fonction de la charge
d’indentation. Nous notons que la dureté du verre recuit est moins importante que celles des
échantillons trempés surtout pour les faibles charges. Les valeurs de la dureté se stabilisent à
partir de 8 N et sont presque confondues avec celles du verre recuit [5.38 GPa et 5.98 GPa].
Nous pensons que pour les charges élevées, la couche mise sous contraintes par traitement
peut être traversée par l’indenteur. D’après H. Buckle [Buck 65], la dureté ne varie pas
beaucoup avec la charge.
Figure 4.8: Evolution de la dureté en fonction de la charge d’indentation P pour les
différents types de verre recuit et traité (simple échange ionique).
Page 67

Chapitre 4 : Résultats et analyses
4.2.4- TÉNACITÉ:
Pour la détermination de la ténacité, nous avons utilisé la formule suivante:
La figure 8 représente l’évolution de la ténacité (K1c) en fonction de la charge
d’indentation. Le K1c, pour le verre recuit, est compris entre [0.73 et 1.06 MPa m 1/2 ] alors
que pour le verre trempé chimiquement, il est compris dans l’intervalle [1.16 et 2.19 MPa
m 1/2 ]. Nous constatons que la valeur du K1c augmente à mesure que le temps de maintien,
lors du traitement thermochimique, augmente. D’une autre côté, pour les faibles charges
d’indentation, nous remarquons que le K1c diminue à mesure que la charge augmente pour
atteindre une valeur constante au-delà de 5 N et 7 N pour le cas du verre traité durant 20 h.
Figure 4.9: Evolution de la ténacité pour les différents types d’échantillons en fonction
de la charge d’indentation
La variation des valeurs du K1c peut être expliquée par l’homogénéité du matériau
pour le verre recuit. Alors que, dans le cas du verre trempé chimiquement, la couche
Page 68

Chapitre 4 : Résultats et analyses
superficielle a subi une modification physico-chimique. Par conséquent, les longueurs des
fissures sont plus réduites causant ainsi des ténacités plus fortes. Ces dernières diminuent en
fonction de la charge d’indentation. Cela s’explique par le fait que dans la couche traitée, la
concentration en potassium diminue en fonction de la profondeur.
4.2.5- MODULE DE YOUNG
Le module élastique E est déterminé à partir de la pente de déchargement de la courbe
charge-pénétration (S). On utilise la formule suivante pour calculer le module E :
Avec Ed = 1000GPa et =0.3
Charge [N]
hf
Pénétration [μm]
Figure 4.10: Méthode de détermination du module E à partir de la courbe chargepénétration
avec une charge de 5N
Le module de Young est une caractéristique intrinsèque du matériau traduisant les
forces de liaisons interatomiques. Sur la figure 4.11, nous avons représenté le module
hma
Page 69
S
Fmax

Chapitre 4 : Résultats et analyses
élastique pour les différents types d’échantillons (recuit, trempés par simple échange ionique à
différents temps de maintien (2h, 20h, 50h), trempé par le double échange ionique à différents
temps de maintien (30 min et 90 min).
Recui
Figure 4.11: Module de Young pour différents types d’échantillons
Nous notons que le module de Young est moins important pour le verre trempé
chimiquement par le simple échange ionique. Cette constatation s’explique par les
pourcentages de potassium élevés au voisinage de la surface et diminuent à mesure qu’on
pénètre dans le verre. Le module E est presque égale à celui du verre recuit pour le verre
trempé par le double échange ionique, à cause de la présence des ions de sodium en quantité à
la surface des échantillons.
4.2.6- CONTRAINTE DE COMPRESSION SUPERFICIELLE (7 N)
Lors de l’échange ionique, l'ion K+, plus volumineux entrant dans le réseau, provoque
son expansion et donc la mise en compression superficielle des couches [ZARZ 82].
Pour la mesure des contraintes résiduelles d'indentation, une charge de 7N est appliquée
sur des échantillons trempés chimiquement avec différents temps de maintien (2h, 20h, 50h).
Nous mesurons la longueur des fissures radiales dans le cas du verre trempé (2C). Nous
avons pris comme longueur de référence celle des fissures mesurées pour le verre non
Page 70

Chapitre 4 : Résultats et analyses
contraint (verre recuit) 2C0 = 66 μm. Les valeurs des fissures permettent d'utiliser les
formules ci-dessous pour la mesure des contraintes induites par le traitement thermochimique.
σ
= −
K Ic
c φ
Avec : φ = π
1−
( C0
/ C)
1/
2
. C
3/
2
2h 50h
Figure 4.12 : la contrainte de compression pour le simple échange ionique à la surface.
On note, à partir de la figure 4.12, que les contraintes de compression ont une relation
directe avec le temps de maintien lors du traitement thermochimique du verre. Lorsque le
temps de maintien augmente, la diffusion des ions K + augmente et la contrainte devient plus
importante. Les valeurs de cette dernière sont comprises entre 180.62 MPa et 360.56 MPa.
L'intensité des contraintes de compression est directement liée à la concentration en
potassium, c'est- à –dire, le nombre d'ions de potassium ayant diffusés dans le verre
détermine directement la contrainte de compression induite à la surface [MALO 06].
Page 71

Chapitre 4 : Résultats et analyses
4.2.7- MODULE DE YOUNG EN PROFONDEUR
Sur la figure 4.13, nous représentons l’évolution du module de Young en profondeur.
Pour le verre trempé avec un temps de maintien de 20h, les valeurs sont comprises entre
[74.48 et 83.67] GPa alors que pour un temps de maintien de 50h les valeurs du module sont
comprises entre GPa et [73.65 et 79.43] GPa. Si le temps de maintien augmente le module
élastique diminue du fait de l’augmentation de la concentration en potassium.
Plus on pénètre vers l’intérieur du matériau, plus le module augmente légèrement par ce
que le pourcentage de potassium diminue.
Figure 4.13: Evolution du module de Young en profondeur pour les verres trempés par
le simple échange ionique (20h ,50h).
4.2.8- DURETÉ EN PROFONDEUR
Nous avons réalisé des indentations sur le verre trempé (2h, 20h, 50h). Les figures 4.14,
4.15, 4.16 représentent la variation de la dureté Vickers, pour les différentes charges
d’indentation (1N-7N) en fonction de profondeur de l’échantillon (décapage de la surface à
l’acide HF).
Page 72

Chapitre 4 : Résultats et analyses
Figure 4.14: Evolution de la dureté en profondeur pour les différentes charges
Figure 4.15: Evolution de la dureté en profondeur pour les différentes charges
Page 73

Chapitre 4 : Résultats et analyses
Figure 4.16: Evolution de la dureté en profondeur pour les différentes charges
Les valeurs de la dureté du verre sont relativement proches les unes des autres et sont
comprises entre [6.13 GPa et 5.17 GPa]. La dureté ne varie pas beaucoup avec la charge.
4.2.9- EVOLUTION DES FISSURES EN PROFONDEUR
Les trois figures (4.17, 4.18, 4.19) représentent la variation de la longueur des fissures
radiales en fonction de la profondeur de l’échantillon pour les différentes charges (de 1N à
7N). On remarque que pour toutes les courbes obtenues, avec les différents types de
traitements du verre, une augmentation de 2C lorsque la charge d’indentation augmente. Ce
comportement a été mentionné par K. Sangwal et al. [SANG 06].
Les fissures sont moins importantes dans le cas du verre trempé par le simple échange
ionique durant 50h. Il apparait que le temps de maintien a un effet notable sur la fissuration.
Des temps plus allongés engendrent des fissures moins importantes.
Page 74

Chapitre 4 : Résultats et analyses
Figure 4.17 : Evolution de 2C en profondeur pour différent charge
Figure 4.18 : Evolution de 2C en profondeur pour différent charge
Page 75

Chapitre 4 : Résultats et analyses
La figure 4.19 : Evolution de 2C en profondeur pour différent charge
4.2.10- OBSERVATIONS MICROSCOPIQUES
Les micrographes optique des figures suivantes montrent respectivement des empreintes
d’indentation Vickers qui correspond obtenues pour le verre trempé chimiquement pour un
temps de maintient égal à 2h, 20h, 50h, sous une charge de 5N, on remarque que la longueur
des fissures radiales augmente en fonction de la profondeur.
Page 76

Chapitre 4 : Résultats et analyses
a- T
rempé chimiquement durant 2h :
h=1.96µm h=4.22µm
h=6.12µm h=8.46µm
h=10.65µm h=14.15µm
Figure 4.20: Micrographie d’indentations en profondeur (h) obtenues sur le verre
trempé chimiquement durant 2h avec une charge de 5N (gross. 20x)
Page 77

Chapitre 4 : Résultats et analyses
b- T
rempé chimiquement durant 20h
h=2.98µm h=8.71µm
h=11.28µm h=16.36µm
h=20.84µm
Figure 4.21: Micrographie d’indentations en profondeur (h) obtenues sur le verre
trempé chimiquement durant 20h avec une charge de 4N (gross. 20x)
Page 78
h=27.39µ

Chapitre 4 : Résultats et analyses
c- T
rempé chimiquement durant 50h :
h=4.9µm h=10.3µm
h=29.85µm h=37.64µm
h=45.03µm h=47.57µm
Figure 4.22: Micrographie d’indentations en profondeur (h) obtenues sur le verre
trempé chimiquement durant 50h avec une charge de 7N (gros 20x)
Page 79

Chapitre 4 : Résultats et analyses
4.2.11- PROFIL DES CONTRAINTES
La durée de la première étape d'échange ionique s'est avéré très importante par rapport
au degré de renforcement. Plus cette phase est longue, plus la région de stabilité des fissures
est large [MALO 08].
Le temps de traitement thermochimique par nitrate de potassium augmente la couche
compressive [ZUID 64]. On note, à partir de la figure 4.23, des profondeurs de 37.64 µm
pour un temps d’échange ionique de à 50h, de 20.84 µm pour un temps de traitement de 20h
et de 8.47 µm pour 2h de trempe chimique. L'intensité des contraintes de compression
diminue à mesure qu'on s'éloigne de la surface du verre. L’intensité des contraintes est liée à
la concentration en potassium.
La contrainte est plus importante si la durée de traitement augmente. Elle atteint
360.56 MPa pour le verre trempé durant 50h. Cette valeur est proche de celles mentionnées
par Zarziky [ZARZ 79] et qui sont dans l’intervalle (350 MPa à 700 MPa).
Figure 4.23 : Evolution de σc en profondeur pour les différents durées de traitement (2h, 20h
et 50h)
Page 80

Chapitre 4 : Résultats et analyses
4.3- LE DOUBLE ÉCHANGE IONIQUE
Des éprouvettes, ayant déjà été traité une première fois aux nitrates de potassium
(KNO3), ont subi un deuxième échange ionique au nitrate de sodium (NaNO3). Le deuxième
traitement a été effectué à une température de 480°C durant 30 min pour les échantillons de
2h (simple échange ionique) et de 90 min pour les échantillons de 20h et 50h.
Pour caractériser la couche traitée (obtenue par double échange ionique), l’indentation
instrumentée est la technique la plus adaptée.
4.3.1- DURETÉ
Sur la figure 4.24, nous avons représenté la variation de la dureté Vickers, pour les
différents échantillons trempés chimiquement par le double échange ionique en fonction de la
charge d’indentation. Les valeurs de la dureté sont comprises entre [5.39 GPa - 6.75 GPa].
Ces valeurs sont inférieures à celles obtenus lors du premier échange ionique. Ce
comportement s’explique par la diminution des contraintes superficielles de compression
induites lors du premier traitement. Cette diminution des contraintes superficielles est causée
par le changement des ions K + (plus gros) par des ions Na + (plus petits).
Page 81

Chapitre 4 : Résultats et analyses
Figure 4.24 : Evolution de la dureté en fonction de la charge (double échange ionique) pour
les différentes durées de traitement (20h, 50h)
4.3.2- TÉNACITÉ
Les figures 4.25, 4.26 représentent l’évolution de la ténacité en fonction de la charge
d’indentation. La ténacité du verre trempé par le double échange ionique durant (30 min) est
comprise entre [1.1 et 1.63] MPa.m 1/2 . Pour le verre trempé par le double échange ionique
durant (90 min), elle est comprise entre [0.74 et 1.4]. Les valeurs du K1c sont relativement
proches les unes des autre pour chaque type d’échantillon.
La variation du K1c du verre trempé par le double échange ionique durant (30 min)
s’explique par l’augmentation de la longueur des fissures lorsqu’on dépasse la couche
superficielle comprimée.
Figure 4.25 : Evolution de la ténacité en fonction de la charge d’indentation pour le
verre trempé par le double échange ionique durant (30 min)
Page 82

Chapitre 4 : Résultats et analyses
Figure 4.26 : Evolution de ténacité en fonction de la charge d’indentation pour le
verre trempé par le double échange ionique durant (90 min)
4.3.3- CONTRAINTES DE COMPESSION EN SURFACE (4 N)
Le double échange ionique réduit la compression en surface liée au premier échange
ionique et mène probablement à des contraintes résiduelles de tension.
Figure 4.27: Evolution des contraintes de compression en surface pour le double échange
ionique avec une charge de 4N.
Page 83

Chapitre 4 : Résultats et analyses
Cette deuxième trempe consiste à réduire partiellement la concentration des ions K + sur
la surface du verre produite par la première trempe. L'intensité des contraintes de compression
sont comprises entre 11.71 MPa et 23.95 MPa. Les valeurs de cette dernière sont directement
liées à la concentration en oxyde de potassium c'est- à -dire que le nombre d'ions de potassium
en surface diminuent sensiblement.
4.3.4- MODULE DE YOUNG EN PROFONDEUR
Sur la figure 4.28, on représente l’évolution du module de Young en profondeur pour le
verre trempé avec un double échange ionique durant 30 min. Le module de Young présente
une valeur plus importante en surface. Plus on pénètre dans le matériau (décapage à l’acide
HF), plus le module diminue car le pourcentage de potassium augmente, puis ce dernier
reprend son augmentation puisque le pénétrateur lorsque le pénétrateur dépasse la couche
modifiée lors du double échange a dépassé la couche compressive de verre.
Figure 4.28: Evolution du module de Young en profondeur pour les verres trempés par
double échange ionique (30 min) (le premier traitement durant 2h)
Page 84

Chapitre 4 : Résultats et analyses
Figure 4.29 : Evolution du module de Young en profondeur pour les verres trempés par
le double échange ionique durant (90 min). Le premier traitement (20h, 50h)
4.3.5- DURETÉ EN PROFONDEUR
Nous avons réalisé des indentations sur le verre trempé (30 min, 90 min). Les figures
4.30, 4.31, 4.32 représentent la variation de la dureté Vickers, pour les différentes charges
d’indentation (2N-7N) en fonction de la profondeur de l’échantillon.
Figure 4.30: Evolution de la dureté en profondeur pour les différentes charges
Page 85

Chapitre 4 : Résultats et analyses
Figure 4.31: Evolution de la dureté en profondeur pour les différentes charges
Figure 4.32: Evolution de la dureté en profondeur pour les différentes charges
Les valeurs de la dureté du verre sont relativement proches. Elles sont comprises entre
[6.66 GPa - 5.18 GPa]. La dureté ne varie pas beaucoup avec la charge et avec la profondeur
de l'échantillon.
Page 86

Chapitre 4 : Résultats et analyses
4.3.7. EVOLUTION DES FISSURES EN PROFONDEUR
Les 3 figures (4.33, 4.34, 4.35) représentent la variation de la longueur des fissures
radiales en fonction de la profondeur de l’échantillon pour les différentes charges (1N-7N).
L’essai a été effectué (mesure de la profondeur) a été effectué par décapage des couche
superficielles à l’acide fluorhydrique. On remarque que pour toutes les courbes obtenues, avec
les différents types de traitements du verre, une diminution des longueurs 2C à une certaine
profondeur puis augmente jusqu'à atteindre les valeurs des longueurs des fissures du verre
recuit. Les fissures sont moins importantes dans le cas du verre trempé par le simple échange
ionique durant 50h. Il apparait que le temps de maintien a un effet notable sur la fissuration.
Des temps plus allongés engendrent des fissures moins importantes.
a- Pour le double échange ionique de
l’échantillon de 2H :
Figure 4.33 : Evolution de 2C en profondeur pour différentes charges du verre ayant subi
un traitement de 2h suivi d’un deuxième échange ionique durant 30 min.
Page 87

Chapitre 4 : Résultats et analyses
b- Pour le double échange ionique de
l’échantillon de 20h
Figure 4.34 : Evolution de 2C en profondeur pour différentes charges du verre ayant subi un
traitement de 20h suivi d’un deuxième échange ionique durant 90 min
c- P
our le double échange ionique de l’échantillon de 50h
Page 88

Chapitre 4 : Résultats et analyses
Figure 4.35: Evolution de 2C en profondeur pour différentes charges du verre ayant subi
un traitement de 50h suivi d’un deuxième échange ionique durant 90 min
4.3.8- PROFIL DES CONTRAINTES EN PROFONDEUR
Le double échange ionique, réalise par SGLAVO [SGLA 0.-1], [SGLA 01-2], se révèle
le meilleur procède conduisant à d’importance contraintes de compression juste au-dessous de
la surface du verre, plutôt qu'à la surface.
Le deuxième traitement dans le double échange ionique a été employé pour réduire
partiellement la concentration des ions K + prés de la surface de l’échantillon. Ainsi, on réduit
la compression en surface liée au premier échange ionique et mène probablement à des
contraintes résiduelles de tension.
Le profil de contrainte obtenu, figures (4.36, 4.37), montre que le maximum de
compression se translate de la surface à une certaine profondeur en dessous de la couche
superficielle. Ce qui permet de stabiliser la propagation des fissures à une distance plus
profonde. La deuxième étape de l’échange ionique produit une multiple fissuration à la
surface des échantillons soumise en tension uniquement durant le chargement.
Figure 4.36 : Evolution de σc en profondeur pour le double échange ionique (30 min),
le premier échange ionique est effectué durant 2h.
Page 89

Chapitre 4 : Résultats et analyses
Figure 4.37: Evolution de σc en profondeur pour le double échange ionique durant (90 min)
des échantillons ayant été traités une première fois durant 20h ou 50h.
Page 90

CONCLUSION GENERALE
L’étude sur le renforcement du verre par la trempe chimique a conduit à
conclure les points suivants :
Le traitement thermique de type recuit conduit à l'élimination des contraintes
induites par les opérations de formage (soufflage, pressage, étirage, ….etc.) , ces
contraintes sont diversement distribuées, elle sont liées à la variation des propriétés
et provoquent le bris des objets au refroidissement.
Le traitement thermochimique de type simple échange ionique réalisé avec
différents temps de maintient (2h, 20h, 50h) et de type double échange ionique avec
les temps de maintient de 30min, 90min pour améliorer le verre sodo-calcique.
Une opération d’indentation instrumenté est utilisée pour déterminer le profile
de contrainte induite par la trempe chimique et l’épaisseur de la couche compressive
de l’échantillon trempé chimiquement.
On trouve que la longueur des fissures est de 103.4µm pour le verre recuit et
égale de 60.3µm pour le verre renfoncé par trempe chimique avec un temps de
maintien de 2h et égale de 52.85µm avec un temps de maintien de 20h , mais pas de
fissures pour un temps de maintien de 50h.
Les valeurs de la dureté trouvée dans le verre recuit sont en général inferieurs à
celle du verre trempé chimiquement pour les faibles charges, nous pensons que pour
les charges élevées la couche mise sous contrainte par traitement peut être traversée
par l’indenteur.
Les résultats montrent que le matériau trempé par le simple échange ionique est
plus tenace que le matériau trempé par le double échange ionique ainsi que pour le
verre qui a subit un recuit.
Le module d’élasticité diminue lorsque la concentration en potassium
augmente dans le verre d’après la trempe chimique.
L’intensité de contrainte déterminée dans le verre trempé chimiquement est plus
importante si le temps de maintien est long.
La durée de la première étape d'échange ionique a été montrée pour être
importante en déterminant le degré de renforcement ; cependant, la durée de la
deuxième étape détermine l'ampleur de la stabilisation des fissures.
Le profile de contrainte obtenu pour le simple échange ionique montre que le
maximum de compression est en surface.

Le profil de contrainte obtenu pour le double échange ionique montre que le
maximum de compression se translate de la surface à une certaine profondeur en
dessous de la couche superficielle. Ce qui permet de stabiliser la propagation des
fissures à une distance plus profonde.
Le double échange ionique produit remarquablement une multiple fissuration
à la surface des échantillons.

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Bibliographique
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Thèse : Étude du renforcement du verre par le double échange ionique
RESUME
La rupture fragile du verre est due à la présence des défauts à sa surface qui servent de point
de concentration de contrainte.
Un traitement thermochimique de type échange ionique, simple et double réalisés avec
différents temps de maintient, pour améliorer le verre silico-sodo-calcique.les longueurs des
fissures diminuent si le temps du premier échange ionique est long. Le deuxième type
d’échange assure la stabilisation de ces fissures en profondeur.
Une opération d’indentation instrumenté a été utilisée pour déterminer le profile de
contrainte induite par la trempe chimique
Mot clé : fragilité, verre, contraintes, échange ionique, indentation instrumenté.
Thesis: study of reinforcement of glass by the double ion-exchange
SUMMARY
Glass brittle fracture is due to the presence of the defects on surface that act as point of
stress concentration.
Single and double thermochemical treatments of ion-exchanged were carried out with
glass mechanical properties durations. the cracks lengths decrease with the single chemical
treatment duration. The double treatment led to creaks stabilization in depth.
An instrumented indentation operation was used to determine the engineered stress
profile induced by chemical strengthening
Key word: brittle, glass, stress, ion-exchanged, indentation instrumented.
ﻒﻋﺎﻀﻤﻟا يدرﺎﺸﻟا لدﺎﺒﺘﻟا ﻖﻳﺮﻃ ﻦﻋ جﺎﺟﺰﻟا ﺔﻳﻮﻘﺗ ﺔﺳارد : ﺔﺣوﺮﻃأ
: ﺺﺨﻠﻤﻟا
. تادﺎﻬﺟﻹا ﺰآﺮﻣ ﺮﺒﺘﻌﺗ ﻲﺘﻟا و ﻪﺤﻄﺳ ﻰﻠﻋ ةدﻮﺟﻮﻤﻟا ﺔﻳﺮﻬﺠﻤﻟا تﺎﻘﻘﺸﺘﻟا ﻰﻟإ جﺎﺟﺰﻟا ﺔﺷﺎﺸه
دﻮﻌﺗ
ﺖﻗو نﺎآ اذإ ﺔﺻﺎﺧ , جﺎﺟﺰﻟا ﺔﻳﻮﻘﺗ ﻰﻟإ يدﺆﻳ ﻲﺋﺎﻨﺜﻟا و يدﺎﺣﻷا يدرﺎﺸﻟا لدﺎﺒﺘﻟا ﻖﻳﺮﻃ ﻦﻋ ﺔﺌﻳﺎﻴﻤآوراﺮﺤﻟا ﺔﺠﻟﺎﻌﻤﻟا نإ
. لﻮﻃأ ﺔﺠﻟﺎﻌﻤﻟا
.
ﻲﻟﻵا
ﺮﻘﻨﻟا ﻖﻳﺮﻃ ﻦﻋ ﺔﺠﻟﺎﻌﻤﻟا ﻦﻋ ﺔﺠﺗﺎﻨﻟا تادﺎﻬﺟﻹا ﺪﻳﺪﺤﺗ ﻢﺗ ﺪﻗ و