Tribologie des verres silicatés - Frottement et endommagement superficiel

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

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

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

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