1. Contraintes thermiques lors du refroidissement (cause principale)
Le quartz fondu génère des contraintes sous des conditions de température non uniformes. À une température donnée, la structure atomique du quartz fondu atteint une configuration spatiale relativement « optimale ». Lorsque la température varie, l'espacement atomique se modifie en conséquence : c'est le phénomène communément appelé dilatation thermique. Un chauffage ou un refroidissement inégal du quartz fondu entraîne une dilatation non uniforme.
Les contraintes thermiques apparaissent généralement lorsque des zones plus chaudes tentent de se dilater, mais sont freinées par des zones plus froides environnantes. Cela crée une contrainte de compression, qui ne provoque généralement pas de dommages. Si la température est suffisamment élevée pour ramollir le verre, la contrainte peut être relâchée. Cependant, si la vitesse de refroidissement est trop rapide, la viscosité augmente rapidement et la structure atomique interne ne peut pas s'adapter à temps à la baisse de température. Il en résulte une contrainte de traction, beaucoup plus susceptible de provoquer des fractures ou une rupture.
Ces contraintes s'intensifient à mesure que la température diminue, atteignant des niveaux élevés à la fin du processus de refroidissement. La température à laquelle le verre de quartz atteint une viscosité supérieure à 10⁴,⁶ poises est appelée température de transition vitreuse.point de tensionÀ ce stade, la viscosité du matériau est si élevée que les contraintes internes se retrouvent effectivement emprisonnées et ne peuvent plus se dissiper.
2. Contraintes dues à la transition de phase et à la relaxation structurale
Relaxation structurale métastable :
À l'état fondu, le quartz fondu présente un arrangement atomique très désordonné. Lors du refroidissement, les atomes tendent à se relaxer vers une configuration plus stable. Cependant, la viscosité élevée de l'état vitreux entrave le mouvement atomique, ce qui engendre une structure interne métastable et génère des contraintes de relaxation. Au fil du temps, ces contraintes peuvent se relâcher lentement, un phénomène connu sous le nom devieillissement du verre.
Tendance à la cristallisation :
Si du quartz fondu est maintenu dans certaines plages de température (par exemple, près de la température de cristallisation) pendant des périodes prolongées, une microcristallisation peut se produire, comme par exemple la précipitation de microcristaux de cristobalite. Le désaccord volumétrique entre les phases cristalline et amorphe créecontrainte de transition de phase.
3. Charge mécanique et force externe
1. Stress lié au traitement :
Les forces mécaniques appliquées lors de la coupe, du meulage ou du polissage peuvent induire des distorsions du réseau cristallin en surface et des contraintes d'usinage. Par exemple, lors de la coupe à la meule, la chaleur localisée et la pression mécanique au niveau du bord provoquent une concentration de contraintes. Des techniques inappropriées de perçage ou de rainurage peuvent engendrer des concentrations de contraintes au niveau des entailles, constituant ainsi des points d'amorçage de fissures.
2. Contraintes dues aux conditions de service :
Utilisé comme matériau de structure, le quartz fondu peut subir des contraintes à grande échelle dues à des charges mécaniques telles que la pression ou la flexion. Par exemple, la verrerie en quartz peut développer des contraintes de flexion lorsqu'elle supporte des objets lourds.
4. Choc thermique et fluctuations rapides de température
1. Contraintes instantanées dues au chauffage/refroidissement rapide :
Bien que le quartz fondu possède un coefficient de dilatation thermique très faible (environ 0,5 × 10⁻⁶/°C), des variations rapides de température (par exemple, un passage de la température ambiante à des températures élevées ou une immersion dans de l'eau glacée) peuvent néanmoins engendrer d'importants gradients de température locaux. Ces gradients provoquent une dilatation ou une contraction thermique soudaine, générant ainsi des contraintes thermiques instantanées. Un exemple courant est la fracture de la verrerie de laboratoire en quartz sous l'effet d'un choc thermique.
2. Fatigue thermique cyclique :
Exposé à des fluctuations de température répétées et prolongées, comme dans les revêtements de fours ou les hublots à haute température, le quartz fondu subit une dilatation et une contraction cycliques. Il en résulte une accumulation de contraintes de fatigue, un vieillissement accéléré et un risque de fissuration.
5. Stress induit chimiquement
1. Contraintes de corrosion et de dissolution :
Lorsque le quartz fondu entre en contact avec des solutions alcalines concentrées (par exemple, NaOH) ou des gaz acides à haute température (par exemple, HF), une corrosion et une dissolution superficielles se produisent. Ce phénomène perturbe l'uniformité structurale et induit des contraintes chimiques. Par exemple, la corrosion alcaline peut entraîner des variations de volume en surface ou la formation de microfissures.
2. Stress induit par les maladies cardiovasculaires :
Les procédés de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) qui déposent des revêtements (par exemple, du SiC) sur du quartz fondu peuvent induire des contraintes interfaciales dues aux différences de coefficients de dilatation thermique ou de modules d'élasticité entre les deux matériaux. Lors du refroidissement, ces contraintes peuvent provoquer un délaminage ou une fissuration du revêtement ou du substrat.
6. Défauts internes et impuretés
1. Bulles et inclusions :
Les bulles de gaz résiduelles ou les impuretés (par exemple, les ions métalliques ou les particules non fondues) introduites lors de la fusion peuvent concentrer les contraintes. Les différences de dilatation thermique ou d'élasticité entre ces inclusions et la matrice vitreuse créent des contraintes internes localisées. Les fissures se forment souvent aux bords de ces imperfections.
2. Microfissures et défauts structurels :
Des impuretés ou des défauts dans la matière première ou issus du processus de fusion peuvent engendrer des microfissures internes. Sous l'effet de contraintes mécaniques ou de cycles thermiques, la concentration de contraintes à l'extrémité des fissures peut favoriser leur propagation et réduire l'intégrité du matériau.
Date de publication : 4 juillet 2025