Pourquoi un couvercle ou une assiette en verre trempé explose-t-il soudain en miettes ?
― Dans le verre, un « cœur » est toujours tiré
Le verre trempé est plusieurs fois plus solide que le verre ordinaire. Pourtant, un jour, sans que personne y touche, il peut faire « pan ! » et se transformer en une multitude de petits grains. Ce qui fait sa solidité, la force emmagasinée à l'intérieur, fait aussi la violence de sa casse.
Après le dîner, dans la cuisine, vous rangez le couvercle en verre sur l'étagère. Ou bien, au milieu de la nuit, dans la salle de bains où personne n'est entré. Soudain, une forte détonation : le verre n'est plus qu'un réseau de fissures.
Au sol, ce ne sont pas des éclats tranchants. Ce sont de petits grains aux angles arrondis, comme du sucre candi.
« Je n'ai pourtant rien cogné, pourquoi ? » « Pourquoi tout d'un coup, et pas seulement un morceau ? » Ces deux questions ont une seule et même réponse.
Deux raisons seulement à cette casse soudaine
Le verre trempé se fabrique en refroidissant brusquement la seule surface d'un verre encore chaud. La surface se fige alors fortement comprimée, et résiste aux entailles ordinaires.
Pour équilibrer la force qui comprime la surface, le cœur du verre est constamment tiré. Quand une entaille ou un corps étranger l'atteint, toute la force emmagasinée se libère d'un coup.
Le verre trempé est donc une plaque qui tient tranquillement debout, avec une force enfermée à l'intérieur. Voyons cela étape par étape.
Que se passe-t-il à l'intérieur du verre trempé ?
On fabrique le verre trempé en chauffant le verre à plus de 600 °C, puis en soufflant de l'air sur sa surface pour la refroidir brusquement. La surface se fige la première. Le cœur, lui, refroidit plus lentement et se contracte. En se contractant, il tire vers l'intérieur la surface déjà figée.
Résultat : la surface est figée comprimée, le cœur est figé étiré. Le verre résiste très bien à la compression, et mal à l'étirement. Une casse commence toujours là où une minuscule entaille de surface est tirée et s'ouvre. Si la surface est comprimée, cette entaille s'ouvre plus difficilement.
Regardez la figure 1. À gauche, la coupe d'un verre trempé de 4 mm d'épaisseur ; à droite, la répartition des forces à l'intérieur. Les couches comprimées ne représentent qu'environ un cinquième de l'épaisseur, sur chaque face. Avec le curseur, creusez l'entaille de surface : passé une certaine profondeur, sa pointe pénètre dans le « cœur étiré ».
Pourquoi tout se brise-t-il, et pas seulement un morceau ?
Le verre ordinaire n'emmagasine aucune force : quand il casse, quelques fissures courent puis s'arrêtent. Dans le verre trempé, le cœur est tiré en permanence sur toute la plaque. Dès qu'une fissure démarre dans le cœur, la force de traction l'élargit partout où elle passe. La fissure se ramifie et atteint les bords de la plaque presque instantanément.
Regardez la figure 2. À gauche, le verre ordinaire donne de gros éclats tranchants ; à droite, le verre trempé donne de petits grains. Les grains viennent de ce que la force emmagasinée sert à créer des fissures très ramifiées. Pour qu'on se coupe moins profondément, les normes exigent qu'une zone donnée se fragmente en un nombre minimal de grains.
Pourquoi casse-t-il alors qu'on n'a rien fait ?
Quand un verre « casse sans avoir été cogné », la cause est le plus souvent une entaille ancienne. Un petit éclat, fait par une spatule en métal ou l'angle de l'évier, peut déjà atteindre la zone proche du cœur. La pointe d'une entaille dans le verre s'approfondit lentement sous l'effet de l'humidité de l'air. Quelques jours ou quelques mois plus tard, elle franchit la limite et le verre casse.
Autre cause connue, plus rare : de minuscules grains de « sulfure de nickel » mêlés au verre. Après la fabrication, ces grains changent lentement de forme cristalline et gonflent un peu. Quand l'un d'eux gonfle dans le cœur, une fissure en part. Pour les vitres de bâtiment, on pratique parfois un traitement : chauffer les plaques vers 290 °C pendant plusieurs heures, afin de casser en usine celles qui contiennent de tels grains.
Le verre résistant à la chaleur est fait d'une composition qui se dilate et se contracte à peine quand la température change. Le verre trempé a une composition ordinaire ; on le rend solide en y enfermant une force. L'étiquette d'un couvercle ou d'un verre indique de quel type il s'agit. Le verre trempé supporte assez bien les brusques écarts de température, mais il a un autre visage : il est fragile face aux éclats et aux entailles profondes.
Alors, que faire ?
- Ne pas utiliser un objet ébréchéMême un petit éclat sur le bord peut atteindre la zone proche du cœur. Si vous en voyez un, remplacez l'objet.
- Ne pas le cogner contre du durÉvitez de heurter le bord contre une spatule en métal, l'angle de l'évier ou les griffes de la cuisinière.
- S'il casse, reculez d'abord et protégez vos piedsLes grains volent loin. Mettez des chaussures et des gants pour ramasser, puis passez l'aspirateur ou du ruban adhésif sur les plus petits grains.
Les grains de verre trempé ont des angles arrondis, mais certains sont pointus. Ne vous penchez pas au-dessus pour regarder. Si vous pensez en avoir reçu dans l'œil, ne le frottez pas : rincez-le à l'eau et consultez vite un ophtalmologue. En cas de blessure grave, par exemple un saignement qui ne s'arrête pas, appelez sans hésiter les secours (au Japon, le 119 ; en France, le 15 ou le 112).
En résumé
Le verre trempé est solide parce qu'il est figé avec une surface comprimée et un cœur étiré. La couche protectrice ne fait qu'environ un cinquième de l'épaisseur. Quand une entaille ou un corps étranger atteint le cœur, derrière elle, la force enfermée se libère d'un coup et toute la plaque se réduit en grains.
Sa force, c'est une force enfermée.
Voilà pourquoi, quand il casse, tout casse d'un coup.
Pour savoir comment des écarts de température fendent la glace ou la pierre, voyez pourquoi les glaçons craquent dans le congélateur et pourquoi les pierres d'un foyer éclatent et sont projetées. Pour une astuce de la nature qui rend un matériau solide en forçant les fissures à faire un détour, voyez pourquoi l'intérieur d'un coquillage résiste aux fissures.
- Par temps clair, mettez des lunettes de soleil polarisantes (de type anti-reflets) et regardez la lunette arrière d'une voiture.
- En inclinant lentement la tête ou en changeant d'angle, vous verrez apparaître faiblement des points ou des rayures. Ce sont les traces de l'air soufflé pendant le refroidissement : la répartition des forces dans le verre devient visible.
- Regardez l'étiquette d'un couvercle ou d'une assiette en verre chez vous pour savoir s'il est en « verre trempé » ou en « verre résistant à la chaleur ». Vérifiez aussi du regard, sans passer le doigt, que le bord n'est pas ébréché.
※ Le motif est plus ou moins visible selon la luminosité du ciel et la direction de la lumière. Ne le regardez pas en conduisant.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université, chaque niveau est indiqué clairement
- CollègeNiveau du cours de sciences au collège
- LycéeNiveau du cours de physique au lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Cours spécialisés d'université, absents du lycée (résistance des matériaux, mécanique de la rupture, science du verre)
- RechercheSujets que les chercheurs étudient encore, et qui ne sont pas enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Trempe à l'air (trempe physique) : méthode qui consiste à chauffer le verre, puis à le refroidir brusquement avec de l'air pour le figer avec la surface comprimée.
- Contrainte de compression et de traction : à l'intérieur d'un objet, force qui cherche à comprimer et force qui cherche à écarter. Toutes deux s'expriment par unité de surface.
- Casse spontanée : casse d'un verre trempé sans qu'aucune force visible ait été appliquée de l'extérieur. On l'attribue à une ancienne entaille ou à des grains de sulfure de nickel.
CollègeLycéeVérifions par le calcul : quelle épaisseur de couche protectrice ? Avec quelle force le cœur est-il tiré ?
On admet en général que les forces à l'intérieur du verre trempé se répartissent en parabole selon la profondeur. Cette forme donne la profondeur de la couche protectrice et la force qui tire le cœur.
| En symboles | σ(x) ＝ σs × ( 1 − 6 × x × ( 1 − x ) )、 x ＝ z ÷ t |
| En mots | Force de compression à la profondeur z = force de compression en surface × (1 − 6 × fraction de profondeur × fraction restante). On en tire : force de traction du cœur = force de compression en surface ÷ 2, couche protectrice = épaisseur × environ 0,21. |
| D'où vient cette formule | Dans une plaque sans force extérieure, la somme des forces de compression et de traction à l'intérieur est nulle (équilibre des forces). La forme la plus simple qui remplit cette condition est une parabole symétrique entre les deux faces. |
| Symbole | Sens et unité |
| σs | Intensité de la force qui comprime la surface (MPa = newtons par millimètre carré) |
| t | Épaisseur du verre (mm) |
| z | Profondeur depuis la surface (mm) |
| x | Fraction de profondeur (z ÷ t, de 0 à 1) |
| Épaisseur d'un verre trempé de couvercle, etc. | 4 mm |
| Force de compression en surface (valeur indicative de la trempe à l'air) | environ 100 MPa |
| Fraction de profondeur où la force change de sens (solution de 1 − 6 × x × (1 − x) ＝ 0) | environ 0,21 |
| Un centimètre carré | 100 millimètres carrés |
| Profondeur de la couche protectrice | 0,21 × 4 ＝ 0,84 mm |
| Force qui tire le cœur | 100 ÷ 2 ＝ 50 MPa |
| Ramené à un centimètre carré | 50 × 100 ＝ 5000 N |
| Converti en poids (1 kilogramme-force ＝ 9,8 N) | 5000 ÷ 9,8 ≒ 510 kg |
Sur 4 mm d'épaisseur, la couche protectrice ne mesure que 0,84 mm sur chaque face. Au-delà, le cœur est tiré en permanence avec la même force que si l'on y suspendait environ 500 kilogrammes par centimètre carré. C'est ce chiffre qui explique pourquoi un éclat de moins d'un millimètre de profondeur peut entraîner « tout ».
LycéeLycée+Équilibre des forces et gonflement du sulfure de nickel
LycéeDu point de vue de l'équilibre des forces en physique, les forces de compression et de traction à l'intérieur de la plaque s'annulent. C'est pourquoi, vu de l'extérieur, le verre trempé est une plaque tranquille où rien ne se passe. Quand une fissure entre dans le cœur et rompt l'équilibre, l'énergie élastique emmagasinée sert à travailler pour agrandir la fissure.
Lycée+Le sulfure de nickel reste piégé dans le verre sous la forme cristalline stable à haute température, figée par le refroidissement rapide. Ensuite, pendant des mois ou des années à température ambiante, il passe lentement à la forme stable à basse température (transition de phase). Ce changement augmente son volume de quelques pour cent, et un grain situé dans le cœur fait alors éclater le verre autour de lui.
Univ.Contraintes résiduelles et mécanique de la rupture
La force enfermée dans le verre s'appelle « contrainte résiduelle ». Les conditions de départ d'une casse relèvent de la « mécanique de la rupture » : avec la théorie de Griffith et le facteur d'intensité de contrainte, on détermine si le verre casse, à partir de la profondeur de l'entaille et de l'intensité de la force. Le phénomène par lequel l'humidité approfondit lentement l'entaille s'appelle « corrosion sous contrainte (rupture différée) ». La répartition des forces à l'intérieur se mesure sans casser le verre, par la « photoélasticimétrie », qui utilise la lumière polarisée.
📖 Démonstration de la formule et pour aller plus loin : Verre trempé (Wikipédia) ／ Mécanique de la rupture (Wikipédia) ／ Photoélasticité (Wikipédia)
RechercheCe que l'on ne sait pas encore bien
- Peut-on repérer tous les grains dangereux avant l'expédition ? Les grains de sulfure de nickel sont minuscules, et les méthodes d'inspection optique capables de les trouver à coup sûr font encore l'objet de recherches.
- Peut-on prédire exactement la taille des grains à partir de la force emmagasinée ? On sait que plus la force est grande, plus les grains sont fins, mais le détail de la ramification des fissures est encore étudié.
- Le détail du mécanisme par lequel l'humidité approfondit l'entaille. Le processus par lequel les molécules d'eau rompent les liaisons du verre est étudié, y compris ses variations selon la température et la composition.
Le contenu de cet article n'est donc lui aussi qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». La répartition parabolique elle-même varie en forme et en intensité selon les produits réels.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : « action des forces », « pression » | Penser les forces de compression et de traction par unité de surface |
| Lycée | Physique : « équilibre des forces », « force élastique » | La somme des forces de compression et de traction est nulle |
| Lycée+ | Chimie : « structure des cristaux » | Transition de phase et gonflement du sulfure de nickel |
| Univ. | Résistance des matériaux, mécanique de la rupture, science du verre | Contrainte résiduelle, facteur d'intensité de contrainte, rupture différée |
| Recherche | Rupture des matériaux et sa prédiction | Détection des corps étrangers, prédiction de la taille des fragments |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Ne pas utiliser un couvercle ou une assiette ébréchés, comment nettoyer après une casse |
- Wikipédia japonais, « Verre trempé » (強化ガラス)
- Norme industrielle japonaise JIS R 3206, « Verre trempé » (強化ガラス)
- Norme européenne EN 14179, « Verre dans la construction — Verre de silicate sodo-calcique de sécurité trempé et traité Heat Soak »
- Sakka Sumio (作花済夫), Fondements et applications de la science du verre (ガラス科学の基礎と応用), Uchida Rokakuho (内田老鶴圃)
- Varshneya, A. K., Fundamentals of Inorganic Glasses, Academic Press
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme. Pour la manipulation d'un produit, suivez la notice du fabricant ; en cas de blessure, suivez les consignes des services médicaux et des secours.