Uncovering the deformation mechanism of glasses during indentation through high-resolution X-ray scattering
Cette étude utilise la nanoscopie par diffusion de rayons X synchrotron à haute résolution pour caractériser les mécanismes de déformation de subsurface in situ de divers verres d'oxydes et d'oxynitrures lors de l'indentation, révélant que l'interaction entre la densification et l'écoulement de cisaillement est régie par le coefficient de Poisson afin d'orienter la conception de matériaux plus résistants aux dommages.
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Le verre est un matériau qui semble simple en apparence : il est dur, transparent et utile pour tout, des fenêtres aux écrans de smartphones. Pourtant, sous cet extérieur lisse se cache une structure interne complexe qui se comporte de manière surprenante lorsqu'elle est soumise à une contrainte. Contrairement aux métaux, qui peuvent se plier et s'étirer sans rompre, le verre est fragile ; il a tendance à se briser lorsqu'il est trop sollicité. Cette fragilité commence généralement par de minuscules fissures invisibles à la surface, souvent causées par un objet tranchant pressant le matériau. Pour rendre le verre plus résistant, les scientifiques doivent comprendre exactement ce qui se passe à l'intérieur du matériau au moment où il est pressé. Ils doivent observer comment les atomes se réorganisent sous la pression, un processus qui implique deux comportements principaux et concurrents : le fait que le matériau soit compressé plus étroitement, ou que les couches glissent les unes sur les autres comme un jeu de cartes. Savoir lequel de ces phénomènes se produit, et où, est la clé pour concevoir un verre qui résiste aux dommages.
Une équipe de chercheurs de l'Université d'Aalborg au Danemark, travaillant avec des collègues du laboratoire MAX IV en Suède, a développé une nouvelle façon d'observer ce processus en temps réel. Au lieu d'examiner le verre une fois que les dommages sont faits, ou de le couper pour voir l'intérieur, ils ont utilisé un puissant faisceau de rayons X pour regarder directement à l'intérieur du matériau pendant qu'il était pressé. Ils se sont concentrés sur quatre types différents de verre, allant de la silice pure à des mélanges complexes contenant de l'azote. En utilisant une pointe de diamant pour presser le verre et un faisceau de rayons X ne dépassant pas cent nanomètres de large pour scanner la zone, ils ont créé une carte détaillée de la façon dont la structure du verre changeait sous la charge. Cette technique leur a permis de distinguer le serrage temporaire qui disparaît lorsque la pression est relâchée, des changements permanents qui subsistent.
Les chercheurs ont découvert que la façon dont le verre se déforme dépend fortement de sa composition chimique, ce qui peut être prédit par une propriété appelée le coefficient de Poisson. Ce rapport est une mesure de la façon dont un matériau se comprime latéralement lorsqu'il est compressé par le haut. Dans leurs expériences, l'équipe a constaté que les verres ayant un faible coefficient de Poisson, comme la silice pure, se comportent très différemment de ceux ayant un ratio élevé, comme le verre d'oxynitrure qu'ils ont testé. Lorsque la pointe de diamant pressait la silice pure, la déformation se propageait sous une forme semi-circulaire large et profonde dans le matériau. Une partie significative de ce changement était permanente ; le verre avait été tellement compressé qu'il ne pouvait pas reprendre sa forme initiale, laissant derrière lui une zone dense et altérée. En revanche, le verre d'oxynitrure, qui possède un coefficient de Poisson plus élevé, présentait une réaction beaucoup plus localisée. La déformation restait concentrée juste sous la pointe, formant une forme en V étroite, et la majeure partie du changement se rétablissait lorsque la pression était retirée.
L'étude a également révélé que la taille de la zone endommagée ne croît pas au même rythme pour tous les verres. Lorsque les chercheurs ont augmenté la pression d'un newton à deux newtons, la zone endommagée de la silice pure a considérablement grandi, tandis que la zone du verre d'oxynitrure est restée petite et contenue. Cela suggère que la structure interne du verre d'oxynitrure est plus résistante à la propagation des dommages. De plus, l'équipe a observé que, dans certains verres, la déformation impliquait des couches de matériau glissant les unes sur les autres, un processus qui peut mener à des fissures. Dans la silice pure, ce glissement était minimal, mais dans les autres mélanges, il jouait un rôle plus important. En cartographiant ces changements avec une telle précision, les chercheurs ont pu séparer la réponse élastique, qui est la flexion temporaire du verre, de la réponse plastique, qui est le remodelage permanent du réseau atomique.
Ce travail fournit une image claire de la raison pour laquelle certains verres sont plus sujets aux fissures que d'autres. Les résultats indiquent que les verres ayant un coefficient de Poisson plus élevé et une structure atomique plus densément compactée sont plus aptes à confiner les dommages dans une petite zone et à retrouver leur forme une fois la pression dissipée. Cette compréhension est cruciale pour les ingénieurs qui conçoivent du verre pour des applications réelles, où les défauts de surface sont le point de départ d'une défaillance catastrophique. En comprenant les caractéristiques structurelles spécifiques qui permettent à un verre de résister à la propagation des dommages, les scientifiques peuvent désormais travailler à la création de nouveaux matériaux plus robustes et plus durables. La méthode développée dans cette étude offre un moyen non destructif de tester ces matériaux, préservant leur état naturel tout en révélant la mécanique cachée de leur rupture.
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