Modélisation élastoplastique de la densification des verres de silice sous des sollicitations de contact à l'échelle micrométrique

Computational modeling of the densification of silicate glasses under contact loadings at the micron scale.

¹ Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes, UMR 5513 CNRS/ECL/ENISE/ENSMSE, École Nationale d'Ingénieurs de Saint-Étienne, 58 rue Jean Parot, 42023 Saint-Étienne Cedex 2, France
² Surface du verre et interfaces, UMR 125 CNRS/Saint-Gobain, 39 quai Lucien Lefranc, 93303 Aubervilliers Cedex, France
³ ESI Group, ESI France – ESI Group, Le Récamier, 70 rue Robert, 69458 Lyon Cedex 06, France

Auteur de correspondance : guillaume.kermouche@enise.fr

Reçu : 25 Mai 2007
Accepté : 24 Janvier 2008

Résumé

Les verres de silice rompent de manière fragile aux échelles supérieures au micron mais présentent une réponse plastique aux échelles inférieures. Plus particulièrement, ils se densifient de façon irréversible sous des sollicitations de contact. Dans cet article, nous présentons une loi de comportement mécanique permettant de reproduire ce phénomène. Les paramètres matériaux sont identifiés par comparaison entre des résultats de simulations numériques par éléments-finis de l'essai de nanoindentation et des résultats expérimentaux telles que la courbe force-enfoncement et une cartographie de densification obtenue par spectroscopie Raman. Nous utilisons ensuite cette loi pour prédire la distribution de densification obtenue après indentation Vickers tridimensionnelle et indentation Cube Corner. Une simulation numérique de rayure est aussi effectuée permettant d'obtenir une première idée de la densification de ces matériaux sous ce type de sollicitations. Ces différents résultats montrent que la zone densifiée sous ces différents types de chargement est toujours de l'ordre de la taille du contact.

Abstract

Silicate glasses are known to be brittle at the macroscopic scale but they can also undergo plastic deformation at the microscopic scale. More specifically, plastic densification occurs under contact loadings. In this paper, a constitutive model, which allows to take into account this phenomenon, is presented. An identification of the material parameters using instrumented indentation results is proposed. This identification is based on the comparison of local residual indentation-induced densification field obtained using Raman spectroscopy and computational results. This constitutive model is then used to analyse the distribution of densification after three-dimensional Vickers indentation and Cube Corner indentation. Finally, a finite-element analysis of the scratch test is done to show the plastic densification of such materials under scratching conditions. These different results show that the size of the densified zone under indentation-scratch loading is strongly related to the contact size.