M5 Trempe thermique et trempe chimique

Topique

La résistance pratique de ce verre, déjà limitée par ses défauts de surface comme décrit dans un autre modèle de cet assemblage, peut être délibérément augmentée sans éliminer ces défauts ni modifier la cohésion théorique de ses liaisons : il suffit d'induire une contrainte de compression superficielle que le défaut doit surmonter avant que la fissure qu'il pourrait amorcer ne s'ouvre effectivement sous tension. Le fait que cette contrainte de compression superficielle doive être surmontée avant qu'un défaut de surface ne soit effectivement soumis à une tension augmente la résistance apparente de ce verre, même si ni ses défauts ni sa cohésion théorique n'ont changé.

Cette contrainte de compression superficielle peut être induite, premièrement, par trempe thermique : un refroidissement rapide et contrôlé de la surface encore chaude du verre, ce qui provoque sa contraction et sa rigidification avant l'intérieur du verre, encore chaud et encore fluide. Le fait que la surface se contracte et se rigidifie avant l'intérieur signifie que lorsque l'intérieur refroidit finalement et tente également de se contracter, il est limité par une surface qui ne peut plus l'accueillir. Ce décalage maintient la surface sous une contrainte de compression permanente.

Alternativement, cette même contrainte de compression peut être induite par trempe chimique : un processus d’échange d’ions au cours duquel les ions sodium, plus petits, présents près de la surface du verre sont remplacés par des ions potassium, plus gros, provenant d’un bain de sel dans lequel le verre est immergé. Ces ions potassium, plus volumineux, occupant l’espace précédemment occupé par les ions sodium au sein du même réseau cristallin, provoquent une augmentation du volume de la région proche de la surface. Contrainte par le verre environnant, cette région est soumise à cette même contrainte de compression. La durée prolongée de cet échange d’ions permet une plus grande profondeur de la couche d’échange, étendant ainsi la contrainte de compression superficielle plus profondément dans le verre.

Quel que soit le processus thermique ou chimique qui l’induit, cette contrainte de compression superficielle ne peut exister isolément : le verre dans son ensemble devant rester en équilibre de contraintes, cette contrainte de compression superficielle est compensée par une contrainte interne, une zone de contrainte de traction située à l’intérieur du verre, sous la couche superficielle comprimée. La contrainte de compression superficielle plus élevée dans la couche externe implique que la contrainte interne correspondante est également plus importante, maintenant ainsi l'équilibre des contraintes entre les deux zones.

Par conséquent, ce modèle, avec la résistance apparente et la contrainte de compression superficielle pour lesquelles il a été développé, montre clairement que ce mécanisme n'accroît que la résistance apparente de ce verre, et non sa cohésion théorique, déjà établie, sans trempe, par un autre modèle de cet assemblage. Le fait que cette contrainte de compression superficielle et la contrainte interne associée soient figées au sein du verre permet à un autre modèle de cet ensemble de les mesurer, sans détruire la pièce, par biréfringence photoélastique, confirmant ainsi si la trempe a permis d'atteindre l'amplitude et la distribution des contraintes résiduelles recherchées ; et cela signifie également que cette même zone de contrainte interne est précisément à l'origine d'un autre modèle de cet ensemble, celui qui décrit la rupture spontanée pouvant se produire, au sein de cette zone, par l'expansion d'une inclusion piégée dans le verre.

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