Résistance aux rayures du verre – Introduction
Depuis son lancement en 2008, le verre Corning® Gorilla® est devenu un matériau incontournable pour les écrans de smartphones. Le lancement de la version Victus® du verre Gorilla® en 2020 montre que le développement de ces matériaux fait l’objet d’un effort continu. Le développement de verres renforcés chimiquement s’est avéré nécessaire pour allier résistance aux rayures et aux chocs dans une pièce en verre mince capable de protéger les smartphones lors de leur utilisation intensive. Ces verres se caractérisent par une grande résistance de surface, une capacité à masquer les imperfections et une résistance aux rayures. Outre l’électronique grand public, qui les a fait connaître du grand public, ces produits sont également utilisés dans des applications industrielles, automobiles, aéronautiques, architecturales et pharmaceutiques.
Problème de résistance aux rayures
Les smartphones nécessitent un écran en verre fin capable de supporter de multiples glissements du doigt et de résister à un rangement aux côtés d’objets susceptibles de l’endommager, tels que des clés. Les fabricants de verre investissent dans la recherche afin de mettre au point des matériaux plus solides et plus résistants aux rayures, destinés aux fabricants de smartphones. La qualité d’un verre trempé chimiquement réside donc dans sa capacité à résister aux rayures causées par des particules ou des objets entrant en contact avec sa surface. Le défi lié à l’utilisation d’un matériau généralement fragile tel que le verre réside dans la nécessité d’augmenter son élasticité tout en réduisant sa fragilité afin d’obtenir les performances requises pour ses applications. Bien que les essais de rayure constituent un choix évident pour évaluer la résistance aux rayures de ces produits, ces essais peuvent fournir aux chercheurs bien plus d’informations que la simple résistance aux rayures. Par conséquent, les essais de rayure présentent des avantages évidents pour les chercheurs et les ingénieurs chargés du contrôle qualité, leur permettant d’améliorer et de contrôler ces produits en verre.
Essai de résistance aux rayures – Principes d’essai
Une rayure est créée en faisant glisser une pointe en diamant de géométrie connue sur la surface de l’échantillon étudié, comme le montre la figure 1. À mesure que la pointe se déplace le long de la surface, la charge normale appliquée à celle-ci augmente de manière linéaire, ce qui entraîne une intensification de la force de contact. Une fois l’éraflure réalisée, des images de l’ensemble de celle-ci sont prises afin d’analyser les différentes déformations et ruptures.
Figure 1 : Principe de l’essai de rayure
Figure 2 : Image confocale d’une rupture par rayure
Les charges normales auxquelles surviennent les défaillances sont appelées « charges critiques »¹ , ². Les charges critiques sont déterminées soit par imagerie, soit par une combinaison d’imagerie et de signaux (émissions acoustiques, par exemple). Plusieurs signaux peuvent être enregistrés au cours de l’essai de rayure, ce qui permet à l’utilisateur de mettre en corrélation les comportements et les mesures spécifiques.
Conditions d’essai de résistance aux rayures
Tableau 1 : Conditions d’essai
Figure 3 : Échantillon de verre dans l’appareil
Figure 4 : Graphiques représentant la profondeur de pénétration, la force de frottement, l’émission acoustique et les charges critiques (lignes verticales) pour un échantillon de verre A
Résultats des tests
Dans tous les cas, à mesure que la force normale augmente, les verres subissent au moins un type de rupture, qui se manifeste par des fissures de part et d’autre de la rainure de rayure. Deux échantillons ont en outre subi une défaillance totale du matériau, accompagnée d’une fracture complète et d’un écaillage du matériau. La figure 2 présente la profondeur de pénétration et le coefficient de frottement obtenus pour l’échantillon B lorsque la charge normale de rayure est augmentée jusqu’à 2 N.
Dans ce cas, deux types de défaillances sont enregistrés :
Lc1 : Premières fissures sur les parois de la rainure
Éclats et rupture totale du verre
Imagerie confocale et en champ clair des défaillances
Figure 5 : Rupture d’adhérence à l’interface
Figure 6 : Ébréchures sur le verre A (Lc2)
Figure 7 : Images confocales et en champ clair du verre A dans la zone de rupture
La première rupture de tous les échantillons (Lc1) est clairement observable sur l’image en champ clair située au bas de la figure 5. L’acquisition d’image unique réalisée après la rayure enregistre à la fois la hauteur et l’intensité du champ clair sur toute la longueur de la rayure. Cette acquisition complète fournit des informations supplémentaires concernant les ruptures Lc1 et Lc2 pour tous les échantillons de verre. La combinaison de l’imagerie confocale et en champ clair est unique sur un testeur de rayures et fournit des informations qui n’étaient pas disponibles avant l’utilisation du SMT-5000 de Rtec-Instruments. Un récapitulatif des charges critiques permet une bonne comparaison des échantillons, comme le montre la figure 8.
Conclusions des essais de résistance aux rayures du verre
Les trois verres renforcés chimiquement peuvent être classés du pire au meilleur : A, B et C. Bien que tous les verres présentent une rupture par fissure initiale observée au bord de la rainure, seuls les verres A et B s’ébrèchent sous une force de rayure maximale de 2 N. De plus, les ruptures sont similaires sur les trois échantillons, ce qui permet de conclure que des contraintes similaires sont à l’origine des Lc 1 et Lc 2 sur les trois échantillons.
Figure 8 : Récapitulatif des charges critiques pour les 3 échantillons de verre
Conclusions
La technique d’essai de rayure a été utilisée pour simuler un scénario de « cas le plus défavorable » en matière d’usure et de détérioration du verre renforcé chimiquement, tel que le verre Gorilla®. Les contraintes générées lors de l’essai de rayure fournissent des informations sur la résistance des différents verres et permettent de classer les différents traitements utilisés pour produire ces échantillons. La combinaison de l’analyse d’images et de l’analyse de signaux offre la compréhension la plus avancée des comportements de rupture du verre. Le même instrument est également utilisé pour étudier l’usure de ces mêmes échantillons, bien que ces résultats n’aient pas été présentés ici.
Références
1ASTMC 1624-05 « Méthode d’essai standard relative à la résistance à l’adhérence et aux modes de rupture mécanique des revêtements céramiques par essai quantitatif de rayure en un seul point. »
2 Norme ISO 20502 « Détermination de l’adhérence des revêtements céramiques par essai de rayure ».
3 Système de gestion de la lutte contre l’érosion et les sédiments. Lac Macquarie, Australie : 9 septembre 1999
