Fluage du verre

[inviteed8b6e74]

Bonjour.

Actuellement a lieu sur le forum Astrosurf un débat sur le fluage du verre.
D’un côté un opticien confirmé rapporte que certains objectifs de grandes lunettes, ou certains grands miroirs de télescopes peuvent se déformer avec le temps de manière irréversible lorsqu’ils sont contraints dans leur barillet.
De l’autre, pas mal de personnes disent que c’est impossible.

Il n’est pas facile de trouver une page sur le net expliquant le fluage des matériaux à température ambiante. Quelqu’un a-t-il des informations à ce sujet ?
Quel matériaux sont concernés ?
Y a-t-il une loi décrivant le fluage ?
Y a-t-il un rapport avec la viscosité ?
Je rappelle qu’il s’agit de fluage sous très forte contrainte, entraînant des déformations de moins d’un micron, et pas de la légende des vitraux qui coulent…
Merci de vos réponses.
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[mariposa]

Bonjour.

Actuellement a lieu sur le forum Astrosurf un débat sur le fluage du verre.
D’un côté un opticien confirmé rapporte que certains objectifs de grandes lunettes, ou certains grands miroirs de télescopes peuvent se déformer avec le temps de manière irréversible lorsqu’ils sont contraints dans leur barillet.
De l’autre, pas mal de personnes disent que c’est impossible.

Il n’est pas facile de trouver une page sur le net expliquant le fluage des matériaux à température ambiante. Quelqu’un a-t-il des informations à ce sujet ?
Quel matériaux sont concernés ?
Y a-t-il une loi décrivant le fluage ?
Y a-t-il un rapport avec la viscosité ?
Je rappelle qu’il s’agit de fluage sous très forte contrainte, entraînant des déformations de moins d’un micron, et pas de la légende des vitraux qui coulent…
Merci de vos réponses.

Savoir s'il y a fluage du verre sous contrainte a temperature ambiante est un problème qui relève vraiment de l'expérimentation.

Sinon dans les principes c'est possible, le problème est quelle est la cinétique du phénomène?

Sinon sur la plan théorique déformation plastique, fluage, viscosité relève d"un chapitre appelé rhéologie, la sciences des déformations "tordues".

[invitea3fc981a]

A priori tous les matériaux dits "amorphes" sont sujets au fluage. Parce que ce n'est pas leur état d'équilibre, ils vont évoluer, mais comme ils sont dans un état métastable le phénomène va être très lent. L'observation a déjà été faite sur des vitraux d'église : le verre devient de plus en plus épais à la base, comme s'il "coulait" ; mais ce phénomène a pris plusieurs centaines d'années.

L'opticien a donc raison ; d'ailleurs quand un spécialiste parle de son domaine, on écoute...

[invite1e199ccc]

Les vitraux qui coulent ne sont absolument pas une legende. De plus comme l afait remarquer Konrad, tous les verres sont dans un etat metastable. La cinetique depend exclusivement de la densite et des composantes intimes du verre mais il ne faut pas oublier dy inclure l histoire du verre. Son histoire (surtout son refroidissement s il a ete rapide ou lent) modifiera le melange au niveau intime du verre donc sa cinetique. Mais c est un probleme extremement complexe. Une equipe de physiciens travaille la dessus a Strasbourg (ou Nancy je ne sais plus trop). En theorie le verre se deformera reste a savoir dans quelles proportions a quel moment.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitea3eb043e]

Une régle qu'on cite parfois est que certains métaux fluent à une température égale à la moitié de leur température de fusion (en degrés Kelvin, évidemment !).
Le phénomène dépend de la composition des métaux. Ainsi le plomb flue plus vite quand il est très pur (sans antimoine). Je crois me souvenir que des architectes américains l'ont appris à leurs dépends en construisant une coupole en plomb.

[invite8c514936]

La questoin du fluage du verre dans les cathédrales n'est pas aussi nette que le laissent entendre les messages précédents. Je vous conseille ceci :

No it doesn't flow...

[invitea3eb043e]

De fait, la température de fusion du verre à vitre est de l'ordre de 1550°C, soit 1820 K. Référence : http://www.verreonline.fr/v_creu/fabr_vc3.php
à l'ambiante, on est très loin de la moitié de cette température.

[mariposa]

La questoin du fluage du verre dans les cathédrales n'est pas aussi nette que le laissent entendre les messages précédents. Je vous conseille ceci :

No it doesn't flow...

Pour moi la question est purement expérimentale. Il "suffit" de faire une expérience a temperature modérée avec différentes forces apliquées et extrapoler à basse température et au domaine de contraintes faibles. A partir de là on peut espérer discuter le comportement à long terme.

Toutefois ce genre d'expérience est couramment réalisée dans l'industrie des fibres optiques. On part d'un cylindre de verre de gros diametre (on appelle ça une préforme) et on tire dessus. reste a interroger un spécialiste qui doit avoir une idée raisonnable sur la question!!

[invite8c514936]

Merci d'avoir exposé ta vision de la question, mais... tu as une réponse à proposer ?

[mariposa]

Merci d'avoir exposé ta vision de la question, mais... tu as une réponse à proposer ?

J'ai cru répondre en disant que la réponse est purement expérimentale. Je connais pas mal les problèmes associés aux matériaux amorphes, c'est pourquoi j'insiste pour dire l'expérience et seule l'expérience peut répondre. je vais quand même pas faire une manip!!

Cordialement

[invitea3fc981a]

Sympa ton lien Deep_Turtle. Effectivement, il semblerait que la question n'ait pas encore été tranchée...

Je vais essayer de resituer les choses. Le verre est un solide amorphe, je crois qu'on est tous d'accord là-dessus. Il a une structure qui n'est pas la plus stable, il est dans un état métastable : dans un "creux" de la vallée, mais pas le creux le plus profond. Pour qu'il puisse sortir de ce creux et explorer les creux d'à côté (qui correspondront soit à de nouveaux états métastables, soit à l'état le plus stable), il faut lui fournir un peu d'énergie, par des contraintes.

Or, je trouve que l'article que tu mentionnes ne parle pas de toutes les contraintes auxquelles sont soumis les verres. La comparaison est faite entre les vitraux et les bols et autres qui sont 2000 ans plus vieux : oui, mais le verre enfoui dans la terre est soumis à des contraintes de tous les côtés, tandis que dans les vitraux les principales contraintes sont la pression de chaque côté du vitrail, et la gravité. Les grands écarts de température (entre hiver et été, entre l'intérieur et l'extérieur...) ont peut-être un rôle à y jouer aussi. Pour ce qui est des vitraux qui ont un sommet plus évasé que la base, ils ont sans doute été conçu comme cela, et l'effet du fluage étant minime comparé à ce défaut de fabrication, il ne saute pas aux yeux dans ce cas (il ne faut pas croire non plus que l'intégralité de l'évasement d'un vitrail est dû au fluage).

Bref, sans m'adonner corps et âme à ce qu'ils appellent une "légende urbaine", je ne serais pas étonné que le verre soit effectivement sujet au fluage. Cela ne signifie pas que le verre tend vers l'état stable (qu'il mettrait sans doute plusieurs milliards d'années à atteindre), mais qu'il passe d'un état métastable à un autre, sous l'effet des différentes contraintes auxquelles il est soumis.

[mariposa]

Sympa ton lien Deep_Turtle. Effectivement, il semblerait que la question n'ait pas encore été tranchée...

Je vais essayer de resituer les choses. Le verre est un solide amorphe, je crois qu'on est tous d'accord là-dessus. Il a une structure qui n'est pas la plus stable, il est dans un état métastable : dans un "creux" de la vallée, mais pas le creux le plus profond. Pour qu'il puisse sortir de ce creux et explorer les creux d'à côté (qui correspondront soit à de nouveaux états métastables, soit à l'état le plus stable), il faut lui fournir un peu d'énergie, par des contraintes.

Tout cela est parfaitement vraiment, mais je crains que cela n'ai aucun rapport avec les mécanismes de fluage. Si tu veux appréhender les mécanismes microscopique de fluage des verres il faut plutôt faire un rapprochement avec la déformation plastique des cristaux. il faut donc discuter le probleme en termes de speudo-dislocations et diffusion des défauts.

Dans le verre il y a des liaisons pendantes, associées a des lacunes. Sous contraintes un atome peut sauter d'un site a un autre ce qui va localement relacher la contrainte. Un ensemble de sauts et de relaxation de contraintes fait macrocopiquement une déformation. Mais attention, tout cela se fait dans une matrice amorphe.

Nota: il faut savoir que dans un matériau amorphe l'ordre a courte distance est conservée (seul l'ordre a longue distance est perdue et les mécanismes de diffusion relaxation ne change rien a cela.

[invitee8334059]

Dans le verre il y a des liaisons pendantes, associées a des lacunes. Sous contraintes un atome peut sauter d'un site a un autre ce qui va localement relacher la contrainte. Un ensemble de sauts et de relaxation de contraintes fait macrocopiquement une déformation. Mais attention, tout cela se fait dans une matrice amorphe.

Nota: il faut savoir que dans un matériau amorphe l'ordre a courte distance est conservée (seul l'ordre a longue distance est perdue et les mécanismes de diffusion relaxation ne change rien a cela.

Pourquoi est ce qu'un matériau amorphe comme le verre ne se comporte pas comme de l'eau amorphe?
L'état amorphe n'est -t-il pas une caractérisation de l'état physique du système?

[invite8ef897e4]

Je crois que cette discussion n'ira nulle part...

Je connais personellement plusieurs physiciens en poste au CEA notamment, theoriciens et experimentateurs, qui vous affirmeront qu'effectivement le verre n'est pas dans un etat stable et donc continue perpetuellement a explorer l'espace des phases, cela a une vitesse minuscule. Cette explication malheureusement est qualitative.

D'un autre cote, et peut etre sont-ils plus nombreux, il y a les sceptiques, qui disent que tout betement les vitraux ont ete originellement poses sur leur cote le plus epais.

L'ennui, c'est que les modeles theoriques ne sont pas prouves valables, ceux qui sont pour et ceux qui sont contre, et pour cause : il est difficile de mesurer cet ecoulement s'il existe tout simplement parce qu'il aurait lieu sur des echelles de temps trop grandes.

[inviteed8b6e74]

Intéressant tout ça…
Pour ce qui est des vitraux de cathédrales, je ne crois vraiment pas qu’on puisse parler de fluage, puisque le lien donné plus haut indique un épaississement de 10 angströms au bout d’un temps supérieur à l’âge de l’univers. Le procédé de fabrication est l’explication la plus vraisemblable.

Mais ce qui me semble important est que le principe même du fluage du verre n’est pas remis en cause, même s’il est extraordinairement lent. On peut dès lors imaginer que l’application d’une très forte contrainte puisse accélérer considérablement le phénomène, au point de le rendre mesurable au bout de plusieurs décennies.
C’est une question assez pointue, finalement.
Si la réponse est purement expérimentale, alors les opticiens qui ont du retailler des miroirs et des objectifs de vieux instruments parce qu’ils s’étaient déformés ont répondu.

[inviteed7336aa]

Salut,
Pour les vitraux, ayant fréquenté des artistes qui en restorent, leur avis à ce sujet était plutôt que les créateurs de vitraux employaient le coté le moins foncé, donc souvent le plus épais, vers le haut pour donner un effet de "lumière venant d'en haut" (sic!! )
Cette approche me semble plus correcte que le fluage, car l'echelle de temps serait vraiment immense pour le verre.
Mais ce n'est qu'un avis, et je le partage !

A++