A5 Contrainte résiduelle et fracture spontanée (inclusions NiS)

Topique

Une inclusion de sulfure de nickel, piégée dans ce verre trempé depuis sa fabrication, subit une transformation de phase au fil du temps, de sa forme alpha à sa forme bêta. Cette forme alpha, dans laquelle l'inclusion est piégée lors de la fabrication du verre, est métastable à température ambiante. Par conséquent, au fil du temps — des mois, voire des années — elle finit par se transformer en forme bêta, stable à cette même température. La lenteur de cette transformation explique pourquoi la fracture décrite dans ce modèle se produit de manière différée, longtemps après la mise en service du verre trempé.

La transformation de l'inclusion de sulfure de nickel de sa forme alpha à sa forme bêta entraîne son expansion. La forme bêta occupe un volume spécifique plus important que la forme alpha, et comme l'inclusion est rigidement entourée par le verre, cette expansion ne peut se produire librement. L'expansion d'une inclusion au sein du verre rigide environnant génère un champ de contraintes localisé autour d'elle, comme le décrit la théorie d'Eshelby pour une inclusion subissant une variation de volume dans une matrice élastique.

Le fait que cette expansion se produise au sein de la zone de contrainte centrale du verre trempé — déjà définie dans un autre modèle de cet ensemble, celui décrivant le processus de trempe — est ce qui peut déclencher le critère de rupture spontanée : la contrainte supplémentaire générée par l’inclusion en expansion s’ajoute à la contrainte de traction déjà présente dans cette zone centrale du fait du processus de trempe lui-même. Si la somme de ces deux contraintes dépasse la limite d’élasticité du verre, celui-ci se rompt spontanément, sans qu’aucune charge extérieure ne la provoque. Par conséquent, ce modèle, avec l’inclusion de sulfure de nickel qui l’a permis d’ouvrir, dépend directement d’un autre modèle de cet ensemble, celui qui définit la zone de contrainte centrale du verre trempé : l’existence de cette zone de contrainte centrale est la condition nécessaire pour que l’expansion d’une inclusion, à l’endroit précis où elle est piégée, satisfasse au critère de rupture spontanée décrit par ce modèle. Le fait que l’emplacement de l’inclusion dans le verre soit, en pratique, imprévisible à l’avance signifie que le moment et le lieu où cette rupture spontanée, si elle se produit, auront finalement lieu sont également imprévisibles.

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