Frottement intérieur dans les solides vitreux vers la transition vitreuse

Internal friction in vitreous solid to glass transition

Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux. LA. 341. I.N.S.A. Bât. 502, 69621 Villeurbanne Cedex, France.

Résumé

Les solides vitreux présentent divers phénomènes de relaxation mécanique que Ton peut étudier par mesure de frottement intérieur. Les caractéristiques de ces phénomènes varient d’un type de solides vitreux à un autre. Néanmoins, on peut relever certains comportements qui semblent communs à l’ensemble des solides à l’état vitreux. Ainsi, le rappel de résultats concernant :

– les verres minéraux

– les matériaux organiques vitreux

– les solides covalents vitreux

– les verres métalliques,

fait apparaître que, dans tous les cas, il existe un processus de relaxation vers la température T_g, domaine de transition vitreuse (relaxation primaire ou α) et des processus de relaxation plus ou moins bien différenciés à plus basse température (relaxation secondaire) : si l’on s’en tient au domaine de température proche de T_g, on observe souvent un pic ou une anomalie de frottement intérieur plus ou moins bien résolue et la montée de frottement intérieur lié à la relaxation α ; cette manifestation semble être associée à des effets d’élasticité retardée. Un tel comportement nous paraît correspondre à un 2^e phénomène de relaxation propre à l’état vitreux (relaxation β).

La plupart des modèles permettant la description d’un tel comportement restent très phénomènologiques. Aussi paraît-il intéressant de proposer une interprétation reposant sur une approche plus physique : après une brève revue des idées émises quant à la mobilité moléculaire dans les solides vitreux vers T_g, une nouvelle description des processus élémentaires de déformation du solide vitreux sous l’effet d’une contrainte appliquée est présentée. Un tel modèle reprend l’idée suivant laquelle ces processus sont localisés (sites à volume libre élevé) mais prend en compte l’effet de relaxation structurale qui entraînerait la disparition des contraintes internes associées à ces processus, ces derniers pouvant alors être réactivés. La déformation des solides vitreux vers T_g apparaît ainsi commandée essentiellement par des processus de restauration. A partir de ce modèle de déformation, il est possible de calculer le module dynamique (frottement intérieur et effet de module) et les relations obtenues sont discutées en référence aux données expérimentales.

Abstract

Several mechanical relaxation phenomena are observed on glasses. The characteristics of these phenomena vary from one type of glass to another but some features seem to be common to all solids in the vitreous state. Hence, results about :

– oxide glasses,

– organic glasses,

– vitreous semi-conductors

– metallic glasses

are recalled. Then, it is shown, that there are a relaxation process about the glass transition T_g (primary or α relaxation) and several relaxation processes more or less differentiated at lower temperature (secondary relaxations) : if one is restricted to the temperature range not too lower than T_g, a peak or an anomaly in the spectrum internal friction versus temperature more or less resolved from the increase of damping due to the α relaxation, is often observed. This feature seems to be associated to delayed elasticity. We propose that such a behavior corresponds to a second relaxation phenomenon (β relaxation) which is, as α relaxation, characteristic of the vitreous state.

Most models describing such a behaviour remain very phenomenological. Hence, it seems interesting to propose an interpretation following more physical basis : after a short review about ideas previously put forward and concerning molecular mobility in vitreous solids near T_g, a new description of elementary processes of deformation in glass induced by an applied stress, is presented. Such a model takes again into account the assumption about localized processes (high free volume sites) but structural relaxation is considered in order to explain that internal stresses associated to such processes can be relaxed, thus allowing new processes to occur. Then the deformation of vitreous solids near T_g might be essentially controlled by recovery phenomena. From such a model of deformation, dynamic modulus (internal friction and modulus effects) can be calculated and the results are discussed by comparison to experimental data.