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REPUBLUQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEINEMENT SUPE

REPUBLUQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEINEMENT SUPERRIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE FERHAT ABBAS-SETIF UFAS (ALGERIE) THESE Présentée à la faculté des sciences de l’ingénieur Département d’optique et de mécanique de précision Pour l’obtention du diplôme de DOCTORAT EN SCIENCES Option : Optique et mécanique de précision Présentée par : MALOU Zahra (épouse HAMIDOUCHE) Soutenue le: 04/02/2009 Devant la commission d’examen: Pr. G. FANTOZZI Prof INSA LYON Président Pr. N. BOUAOUADJA Prof. U.F.A SETIF Rapporteur Pr. M. HAMIDOUCHE Prof. U.F.A. SETIF Co-Rapporteur Pr. J. CHEVALIER Prof. INSA LYON Examinateur Pr. D. BOUZID Prof. U.F.A. SETIF Examinateur ETUDE DE LA RUPTURE DU VERRE SOUS DES CONTRAINTES THERMIQUES Thèse de doctorat : ETUDE DE LA RUPTURE DU VERRE SOUS DES CONTRAINTES THERMIQUES Nom : MALOU (épouse HAMIDOUCHE) Prénom : Zahra Encadreurs : HAMIDOUCHE Mohamed BOUAOUADJA Nourredine RESUME Dans ce travail nous avons étudié le comportement du verre silico-sodo-calcique vis- à-vis des contraintes thermiques induites par choc thermique. Ce dernier est de type descendant, réalisé par un refroidissement avec un jet d’air comprimé. Dans la partie bibliographique, nous avons présenté les différentes approches d’analyse du choc thermique. L’aspect expérimental de ce travail a été abordé sous différents angles. - L’étude pratique du choc thermique a révélé que les conditions expérimentales jouent un rôle prépondérant pour la résistance au choc thermique. - L’aspect statistique a été pris en considération en utilisant l’approche probabiliste. Il s'avère que le phénomène du choc thermique est très bien décrit par le modèle statistique de Weibull. - Les résultats de l’indentation ont permis de mettre en évidence l’effet du champ de contraintes résiduelles d’indentation sur la propagation des fissures radiales. - L’effet d’un traitement de renforcement par échange ionique a été étudié. Les résultats ont montré que le verre trempé chimiquement résiste bien aux brusques variations de température. - La modélisation des résultats expérimentaux, par l’approche thermomécanique a permis de caractériser la dégradation engendrée à tout moment et à tout instant du choc thermique. La simulation du choc thermique par l'approche locale est en bon accord avec les résultats trouvés expérimentalement. En plus du contrôle de l’endommagement par la mesure de la contrainte à la rupture et du module de Young dynamique, l’émission acoustique a été utilisée pour le contrôle in-situ. Les résultats trouvés avec les différentes techniques sont concordants. Mots clés : Choc thermique, verre, contraintes, fissuration, statistique, indentation DEDICACES A mon mari A mes trois filles « Face à la roche, le ruisseau l'emporte toujours, non par la force, mais par la persévérance ». ... REMERCIEMENTS Cette étude a été réalisée aux laboratoires des matériaux non métalliques (université de Sétif) et MATEIS (groupe céramiques et composites) de l’INSA de Lyon. Ma reconnaissance va à mes deux encadreurs Dr. M. HAMIDOUCHE et Pr. N. BOUAOUADJA Sans leurs conseils et orientations, cette thèse n’aurait jamais vu le jour. Je remercie le professeur G. FANTOZZI qui a réuni toutes les conditions pour mener à bien les travaux effectués en France lors de mes différents séjours. Qu’il trouve ici toute ma reconnaissance et mon estime pour ces orientations scientifiques qui m’ont été d’un grand apport pour mieux cerner les différents aspects de ce travail. Je le remercie également de m’avoir fait l’honneur de présider le jury de soutenance. Je remercie sincèrement le professeur J. CHEVALIER pour sa gentillesse et son aide pour réaliser certaines expériences. Je lui exprime ma vive gratitude d’avoir accepter de participer à la commission de soutenance. Mes vifs remerciements sont adressés aussi au professeur D. BOUZID pour avoir accepter de faire partie du jury de soutenance. Ma gratitude va également, au professeur Malika SAADAOUI pour ces judicieux conseils et discussions scientifiques et amicales. Mes remerciements vont également aux membres de l’équipe céramiques et composites du laboratoire MATEIS de l’INSA de Lyon, personnel techniques et administratif. Particulièrement, je cite : J. Ferreira, G. Massal, J. Bigot, A. Hector, Concettat, Antonia, ……. Je remercie notre technicien de laboratoire H. Bahri et les membres du laboratoire des matériaux non métalliques. SOMMAIRE SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE CHAPITRE 1 : CHOC THERMIQUE 1.1- TRANSFERTS THERMIQUES …………………………………………………...…..09 1.1.1- Introduction …………………………………………………………………....09 1.1.2- Notions fondamentales ………………………………………………………...09 1.2- CONDUCTION …………………………………………………………………………11 1.3- CONVECTION …………………………………………………………………………12 1.4- RAYONNEMENT …………………………………………………………………...…15 1.5- CONTRAINTES THERMIQUES ……………………………………………….……..16 I. 6- CHOC THERMIQUE …………………………………………………………………21 1.7- RESISTANCE AUX CHOCS THERMIQUES ………………………………………..21 1.8- THEORIE THERMOELASTIQUE ………………………………………………….…22 1.9- THEORIE ENERGETIQUE ……………………………………………………………28 1.9.1- Considérations énergétiques …………………………………………….…….29 1.9.2- Analogie des théories thermo élastique et énergétique ……………………….35 1.10- APPROCHE THERMOMECANIQUE …………………………………………...…37 1.10.1- Caractère transitoire du choc thermique ………………………….………….41 1.10.2- Distribution des températures ………………………………………………..42 1.10.3- Distribution des contraintes ………………………………………………… 46 1.10.4- Détermination du facteur d’intensité de contraintes …………………………48 1.10.5- Comportement des défauts …………………………………………………..48 1.10.6- Evolution du facteur d’intensité de contrainte avec le temps …………..……50 1.11- APPROCHE PROBABILISTE ………………………………………………………..51 CHAPITRE 2 : RUPTURE DU VERRE 2.1- INTRODUCTION ………………………………………………………………………58 2.2- TYPES DE RUPTURE ………………………………………………………………….58 2.3- COMPORTEMENT ELASTIQUE ……………………………………………………..59 2.4- COMPORTEMENT FRAGILE ……………………………………………………...…59 2.5- TENACITE ……………………………………………………………………………...61 2.6- FACTEUR D’INTENSITE DE CONTRAINTES …………………………………...…61 2.7- TECHNIQUE D’INDENTATION …………………………………………………….63 2.8- INDENTATION INSTRUMENTEE …………………………………………………...64 2.9- PROCEDES DE RENFORCEMENT DU VERRE …………………………………….68 2.9.1- Décapage par voie chimique ………………………………………………….68 2.9.2- Polissage au feu ………………………………………………………………69 2.9.3-Trempe thermique …………………………………………………………….69 2.9.4- Méthodes de cristallisation de la surface ……………………………………...70 2.9.5- Trempe chimique …………………………………………………………….70 2.9.6- Le procédé SCHOTT …………………………………………………………73 2.9.7- Désalcalinisation ……………………………………………………………..73 2.9.8- Comparaison des différentes méthodes de renforcement et leurs limites …….74 CHAPITRE 3 : PROCEDURE EXPERIMENTALE 3 .1- INTRODUCTION …………………………………………………………….………..75 3.2- VERRE UTILISE ………………………………………………………………...……76 3.2.1- Composition chimique ………………………………………………………...76 3.2.2 - Caractéristiques usuelles à la température ambiante ………………………...76 3.2.3- Propriétés thermoélastiques en fonction de la température …………………..77 3.3- NITRATE DE POTASSIUM …………………………………………………………..80 3.4- DISPOSITIFS UTILISES ……………………………………………………………….80 3.4.1- Montage de choc thermique …………………………………………………...81 3.4.2- Dispositifs de mesure du module élastique dynamique ………………………83 3.4.3- Dispositif de mesure de la contrainte à la rupture …………………………….84 3.4.4- Microduromètre …………………………………………………………….....85 3.5- PREPARATION DES ECHANTILLONS ET DEROULEMENT DES ESSAIS ……. .86 CHAPITRE 4 : EFFETS DES CONDITIONS EXPERIMENTALES A- CONTROLE POST- CHOC THERMIQUE 4.1- EFFET DE LA FORME ……………………………………………………………… 88 4.2- EFFET DE L’EPAISSEUR ……………………………………………………………89 4.3- EFFET DE LA DIRECTION DU JET D’AIR …………………………………………91 4.4- EFFET DE L’ETAT DU VERRE ……………………………………………………...93 B- CONTROLE IN-SITU (émission acoustique) 4.5- MAXIMUM D’EMISSION ACOUSTIQUE …………………………………………..96 4.5.1- Effet d’un recuit ……………………………………………………….………….96 4.5.2- Effet de la direction du jet d’air ………………………………………………….96 4.5.3- Effet de l’épaisseur de l’échantillon ……………………………………………..97 4.6- NOMBRE D’ECHOS DE L’EMISSION ACOUSTIQUE ……………………………..98 4.6.1- Effet du recuit …………………………………………………………...………..98 4.6.2- Effet de la direction du jet d’air …………………………………………………..98 4.6.3- Effet de l’épaisseur de l’échantillon ……………………………………………...99 4.7- TEMPS DU DEBUT DE L’EMISSION ACOUSTIQUE ………………………….…100 4.7.1- Effet du recuit ……………………………………………………………….100 4.7.2- Effet de la direction du jet d’air ……………………………………………...100 4.7.3- Effet de l’épaisseur de l’échantillon …………………………………………101 4.8- TEMPS DE FIN D’EMISSION ACOUSTIQUE ………………………… ..…………102 4.9- SYNTHESE DES RESULTATS ………………………………………………………103 CHAPITRE 5 : INDENTATION ET CHOC THERMIQUE 5.1- INTRODUCTION …………………………………………………………………….104 5.2- EVOLUTION DES LONGUEURS DES FISSURES …………………………………106 5.3- INTERACTION ENTRE FISSURES …………………………………………………109 5.4- OBSERVATION AU MICROSCOPE ………………………………………………..110 5.4.1- Observation en surface ………………………………………………………...110 5.4.2- Faciès de rupture ……………………………………………………………..111 5.5 – SYNTHESE …………………………………………………………….. …………...113 CHAPITRE 6: ANALYSE STATISTIQUE DU CHOC THERMIQUE 6.1- INTRODUCTION …………………………………………………………………….114 6.2- CHOC DUR (TREMPE DANS L’EAU ET L’HUILE DE MOTEUR) ………………114 6.3- EFET DE LA NATURE DU BAIN (eau, l’huile de moteur et l’huile d’olive) ……….117 6.4- CHOC THERMIQUE DOUX (REFROIDISSEMENT PAR JET D’AIR) …… …..…119 6.5- RESULTATS STATISTIQUE POUR L’EPAISSEUR 3mm …………………………122 6.6- SYNTHESE ……………………………………………………………………………128 CHAPITRE 7: EFFET DU RENFORCEMENT PAR ECHANGE IONIQUE 7.1- INTRODUCTION …………………………………………………………………….129 7.2- CARACTERISATION DE LA COUCHE TRAITEE ………………………….. ……129 7.2.1- Microanalyse au microscope électronique à balayage ……………………….129 7.2.2- Indentation instrumentée …………………………………………………….134 7.3- ECHANGE IONIQUE ET RESISTANCE AU CHOC THERMIQUE ………………136 CHAPITRE 8: MODELISATION DES RESULTATS 8.1- INTRODUCTION ……………………………………………………………………..140 8.2- CARACTERISTIQUES THERMOELASTIQUES …………………………………...140 8.3- MODELE CHOISI ………………………………………………………...…………..142 8.4- TEMPERATURES TRANSITOIRES …………………………………………………143 8.5- CONTRAINTES TRANSITOIRES ………………………………………...…………145 8.6- FACTEUR D’INTENSITE DE CONTRAINTE ………………………………………147 8.7- SYNTHESE ………………………………………………………………………...….155 CONCLUSION GENERALE BIBLIOGRAPHIE INTRODUCTION GENERALE INTRODUCTION GENERALE Le verre est un matériau présentant des caractéristiques bien spécifiques. Sa bonne transparence et sa facilité de mise en forme n’ont fait que varier ses domaines d’application. Cependant, l’une des principales limitations à son utilisation est sa grande fragilité. La présence de micro-fissures superficielles le rend, de par son élasticité, très sensible vis à vis des contraintes mécaniques et thermiques. Lors d’un changement brutal de température, l’apparition d’un gradient thermique induit un profil de contrainte. Un choc thermique est la mise en contact brutal d’un corps avec un milieu dont la température est différente de celle du corps. L’intensité du choc est liée à la différence entre la température initiale du corps et celle du milieu dans lequel on le plonge. On distingue deux types de choc thermique: Ascendant et descendant. Le premier type est plus néfaste pour les matériaux fragiles. En engendrant des contraintes de tension à la surface du corps refroidi brusquement, les microfissures préexistantes sont activées. Cela conduit à la dégradation du matériau. Pour l’étude du choc thermique, trois différentes approches ont été proposées. L’approche thermoélastique caractérise la température critique à partir de laquelle se produit la fissuration de l’échantillon. L’approche énergétique caractérise tout à la fois la température critique précédente et le degré d’endommagement subi par l’échantillon. La troisième approche, dite locale, se base sur la première tout en tenant compte de l’évolution des propriétés uploads/Science et Technologie/ dissertation-etude-rupture-verre-casse-thermique-zahra-malou-pdf.pdf