Scratchability of Soda-Lime Silica Glasses

Thèse associée au label européen (Doctor Europeus), rédigée en langue anglaise et comprend un chapitre de synthèse en langue française.This work deals with the scratch resistance of soda-lime silica (SLS) glasses with regard to environmental considerations, chemical composition of glass, load history, residual stresses and indenter geometry. A detailed phenomenology investigation allows identifying the cracks and the damage regimes that occur during micro-scratching on the considered glasses. The influence of the chemical composition is discussed through structure considerations and fractographic observations at the micro-scale. The notion of densification/shear competition in the deformation process of these glasses (related to their normal/anomalous character) appears as the key factor in the understanding of their indentation/scratch behavior.A mechanical modeling was considered to predict the damage which was identified during scratch experiments. The approach of Ahn* of an analytical solution of a scratch performed on a glass by a conical indenter (derived from Yoffe's° model for a static indentation) is extended to the present study. The development lies in two main extensions: i) the extension to the Vickers indenter geometry with the help of a 3D Finite Elements model of a Vickers static indentation, and ii) the extension to the SLS glass series by studying the densification/shear competition (experimental considerations conjugated to AFM measurements) that mainly control their indentation behavior.The results of the model are correlated to the phenomenology results obtained by experimental observations. The scratch behavior of the different glasses with regard to their normal/anomalous character is also discriminated by the model._______________________* Y Ahn, Deformation about sliding indentation in ceramics and its application to lapping. 1992, Perdue University: (USA).° E.H. Yoffe, Elastic stress field caused by indenting brittle materials, Philosophical Magazine A, 46 (4), (1982), p. 617-628.Ce travail de thèse traite de la résistance au rayage des verres silico-sodo-calciques (notés SLS) en fonction de considérations environnementales, de leur composition chimique, de l'histoire du chargement, des contraintes résiduelles et de la géométrie de l'indenteur.Une étude phénoménologique détaillée permet d'identifier les fissures et les régimes d'endommagement mis en œuvre pendant le rayage des verres considérés. L'influence de la composition chimique est discutée à la lumière de considérations structurales et d'observations fractographiques à l'échelle microscopique. La notion de compétition densification/cisaillement dans la déformation de ces verres semble être le paramètre clé pour comprendre leur comportement à l'indentation/rayure.Un modèle mécanique a alors été envisagé pour prédire les endommagements identifiés pendant les essais expérimentaux. L'approche de Ahn* donnant une solution analytique au problème du rayage par un indenteur conique (dérivé de celui de Yoffe° pour une indentation statique) est dans cette étude généralisée. Le développement réside en deux extensions principales: i) l'extension à la géométrie de l'indenteur Vickers grâce à un modèle par éléments finis 3D de l'indentation statique par un Vickers et ii) l'extension aux verres de la famille SLS en étudiant la compétition densification/cisaillement (par des considérations expérimentales couplées à des mesures par AFM) qui contrôle principalement leur comportement à l'indentation.Les résultats du modèle sont corrélés par les résultats phénoménologiques et les observations expérimentales. Le comportement à la rayure des différents verres au regard de leur caractère normal/anormal est également discriminé par le modèle._______________________* Y Ahn, Deformation about sliding indentation in ceramics and its application to lapping. 1992, Perdue University: (USA).° E.H. Yoffe, Elastic stress field caused by indenting brittle materials, Philosophical Magazine A, 46 (4), (1982), p. 617-628