Qu’est ce que le verre trempé ?

En lisant cet article du Monde, je me suis dit qu’il serait intéressant de vous expliquer le principe du verre trempé, utilisé dans de nombreux domaines dont la vaisselle Duralex. Ce type de verre est aussi utilisé dans le vitrage de sécurité. Voici quelques éléments de compréhension.

Quand j’essayais de comprendre le principe de la trempe du verre, j’ai eu du mal à le visualiser à l’échelle microstructurale. Je pense que le principe rappellera à certains celui du béton précontraint.

Le principe du verre trempé est assez simple sur le papier et réalisé en 3 étapes :

PHASE 1

le produit en verre formé est chauffé est soumis à une température élevée, entre 650 et 700°C. Le tout est d’éviter la déformation du verre. Donc cette température est très contrôlée.

Une fois trempé, le verre ne peut plus être découpé.

Il est donc important qu’il garde sa forme pendant la trempe. Il se peut que sont volume soit légèrement plus important après la trempe, ce qui doit être pris en compte pour le dimensionnement des vitrages par exemple.

PHASE 2

Le produit est refroidi brutalement en surface, par jet d’air ce qui va générer une différence de température et donc de comportement entre le cœur et la surface du verre. La surface est solide tandis que le cœur est encore un liquide visqueux, avec une dilatation thermique 3 fois supérieure à celle de la surface.

Ainsi, la surface tente de se contracter tandis que le cœur lui agit comme une force antagoniste.

La surface est donc soumise à des contraintes de traction tandis que le cœur est soumis à des contraintes de compression

PHASE 3

Lorsque le verre refroidi complètement, le cœur tente de se contracter alors que la surface est déjà figée et l’empêche de le faire. N’oublions pas que le cœur est relié à peau.

Ainsi, le cœur va se mettre en tension et, par réaction, la surface se mettra en compression. Ces forces s’annulent au point O du schéma ci-dessous. La surface hachurée au-dessus de la ligne (zone en tension) est égale à celle au-dessous de la ligne (zone en compression).

En fonction du procédé, le verre trempé peut être jusque 5 fois plus résistant que le verre recuit. Cela va dépendre de la forme, des paramètres de trempe et de l’épaisseur du verre. Ainsi, sous une certaine épaisseur, la trempe est inefficace (< 2mm).

La forme a un impact. Une bouteille sera plus difficile à tremper thermiquement qu’un verre, parce qu’il est nécessaire que l’évolution des températures soient homogènes sur toutes les surfaces.

Le principe de fabrication du verre Duralex est disponible ici.

Pourquoi mettre en place ces contraintes, même de manière contrôlée ?
Parce que le verre est 10 fois plus résistant en compression qu’en traction. De plus, cela permet d’augmenter la résistance du verre aux chocs thermiques, autour de 130°C pour la vaisselle, parfois plus.

Pourquoi le verre trempé se casse en de nombreux morceaux non coupants lors d’un choc violent?
Ce qui a été observé : A partir d’un certain niveau de sollicitation (choc important) la tension dans le verre libère une onde de choc qui rayonne à partir de l’initiation du défaut.

Les fissures formées accélèrent et tentent de suivre l’onde de choc mais lorsque la vitesse des fissures atteint environ la moitié de la vitesse de l’onde, les fissures bifurquent. Ce qui conduit à une diminution de la vitesse de fissuration. La tension dans le verre accélère à nouveau la fissure, et le principe précédent est répété.

Plus la tension dans le verre est élevée, plus les fissures s'accélèrent et plus la bifurcation se produit tôt, ce qui donne des particules plus petites.

La vitesse de refroidissement au cours de la trempe est donc réglée pour que les fragments aient la forme de petits dés non coupants, c’est-à-dire que la longueur de la fissure entre deux bifurcations soit à peu près égale à l’épaisseur de la feuille.

La fragmentation permet de déterminer par exemple le niveau de contrainte et l’uniformité des contraintes. Dans la norme EN 12150-1, un test permet de définir ces paramètres de manière standardisée. Pour que le verre se brise sans blesser.

Dans les cas complexes, une trempe chimique (échange d’ions) peut être utilisée, elle permettra d’obtenir une grande résistance mais avec un profil de rupture différent. C’est d’ailleurs pour cela que le verre trempé chimiquement n’est pas utilisé pour les verres dits de sécurité.

Pour comparaison : le recuit permet de réduire les tensions après formage du verre. L’objectif est de ramener le verre à un niveau de tension acceptable. Le verre est ramené à température ambiante de manière lente. Il pourra être découpé si besoin après cette étape.

Voilà j’espère que ce petit thread vous aura intéressé, ça change un peu des sujet habituels, mais on reste dans le domaine des matériaux.

SOURCES :
La trempe thermique
Handbook Verre trempé
Recuit et trempe du verre

Petit lien vers le Thread Twitter :

https://twitter.com/Kako_line/status/1343277673200566272?s=20