Dilatation. Retrait. Rccuisson du verre

— Pendant le refroidissement normal du verre, on observe une diminution notable du volume. Le verre est donc, comme toutes les substances, susceptible de se dilater et de se contracter sous l’influence des variations de température. Ces mouvements moléculaires ont même une amplitude suffisamment grande pour qu’on ait du s’en préoccuper et en tenir compte dans les applicationsdu verre, surtout dans celles où il doit subir des variations de température notables, comme dans la construction des thermomètres, des aréomètres, etc.

En outre, la grandeur des mouvements moléculairesest variable avec la composition chimique du verre.

C’est ainsi qu’on a trouvé que le coefficient de dilatation linéaire est :

Pour le verre ordinaire 0,000008969

» en règle 0,000008613

» « à glaces de Saint-Gobain. . . 0,000008909

Pour le flint 0,000008167

La détermination du coefficient de dilatation cubique a donné les chiffres suivants, entre 0 et 100° :

Verre blanc de soude 0,000023839

» de potasse 0,000022830

» en tubes 0,000026480

» en boule de 5 centimètres. . . 0,000025920

Verre vert en tubes 0,000022990

Verre a vitres ordinaire } 0, 000027580

Cristal de Choisy-le-Roi 0,000022800

On a remarqué depuis longtemps que dans les thermomètres, même les mieux construits, il se produit, à la longue, un déplacement du zéro. Jusqu’en ces derniers temps, on attribuait ce déplacement du point fixe à la seule contraction de la boule du thermomètre.

M. Crafts a repris cette étude et a reconnu qu’à cette cause d’erreur — présentant en somme peu de gravité, car il est facile une fois pour toutes de la déterminer et d’en tenir compte — il convenait d’en ajouter une autre beaucoup plus importante, qui est la variation du coefficient de dilatation lui-même.

11 en résulte que l’intervalle entre les deux points fixes varie d’une façon irrégulière, ce qui rend la graduation inexacte.

Des thermomètres chauffés à 355° ont eu leur coefficient de dilatation diminué, de sorte que, pendant que le zéro est monté de t°, le point 100, au lieu de se trouver à 100 + t, est monté à 100 + t -b t'.

Les valeurs du coefficient de dilatation étaient les suivantes :

De 0 à 100° :

Ka (coefficient avant le chauffage) .... 0,00002788

K/' (coefficient après le chauffage) 0,00002743

De 0 à 216° :

Ka (coefficient avant le chauffage) 0,00002979

KA (coefficient après le chauffage) 0,00002914

On a remarqué que la variation des coefficients de dilatation est plus considérable et en même temps plus irrégulière dans les thermomètres dont le réservoir est constitué par une boule soufflée que dans ceux où ce réservoir est formé d’un tube.

Ce fait paraît résulter des divers degrés de tension produits dans la boule pendant le soufflage et dont nous aurons occasion de dire un mot quand nous nous occuperons de la trempe du verre.

En raison de la variation des points fixes, on a dû, dans les opérations exactes, faire usage de thermomètres à échelle limitée, c’est-à-dire ne donnant d’indications qu’entre deux points choisis comme limites.

D’autre part, on atténue les effets indiqués plus haut en portant les thermomètres, vides de mercure, à une haute température et en les y maintenant pendant plusieurs jours, puis en les laissant refroidir très lentement.

On est arrivé, dans ces conditions, à obtenir des thermomètres pour lesquels les variations n’excèdent pas 1°, alors que dans certains cas elles atteignent 8 et même 10°. Des variations de cette importance sont constatées surtout sur les thermomètres qui pendant très long-

temps sont soumis à une température élevée ; mais mêmepour des températures inférieures à 100° on peut avoir, dans certaines conditions particulièrement désavantageuses, des variations très notables résultant de déformations produites dans le verre.

Un exemple remarquable de déformation de ce genre est celui d’aréomètres immergés dans des osmogènes au sein d’un liquide chauffé à 95°, de densité 1,014, contenant par litre 115 grammes de sucre et 91 grammes de sels de potasse (chlorures de potassium et sels à acides organiques).

Après quelques jours d’immersion dans ce liquide, les aréomètres sont complètement modifiés, perdent de leur poids et accusent des erreurs en plus de 7 à 8° Baumé. En outre, les flotteurs sont déformés, ondulés, boursouflés et finissent par se fendre par un séjour plus prolongé.

Soit dit en passant, cette constatation donne plus de force aux objections qui ont été élevées contre l’assimilation des aréomètres aux instruments de poids et mesures légaux vérifiés et poinçonnés par le Gouvernement.

Nous avons dit qu’on atténuait les variations de volume des objets en verre en les laissant refroidir très lentement après les avoir portés à une température élevée. Ce refroidissement très lent est une condition indispensable et permet seul aux molécules du verre de prendre une position d’équilibre stable.

L’ensemble de ces opérations de réchauffage et de refroidissement constitue la phase du travail du verre connue sous le nom de recuisson.

Nous insistons sur la nécessité absolue de procéder à cette recuisson avec la plus grande lenteur possible.

4 bis. — Trempe du verre. — Que se passe-t-il sir

prenant une pièce en verre chaud, encore malléable, on vient à la refroidir brusquement, en la plongeant par exemple dans un liquide froid.

Le premier effet du contact avec le corps froid est de solidifier les parties superficielles sur une profondeur d’autant plus considérable que la température du bain est plus basse.

Ces molécules superficielles se contractent, mais elles sont arrêtées dans ce mouvement par les parties intérieures encore chaudes et qui par suite n’ont pas encore pris leur retrait. Dans le refroidissement ultérieur, les parties centrales, seules susceptibles de mouvement, ne pouvant attirer à elles les parties superficielles devenues rigides, sont au contraire attirées par ces surfaces, et il en résulte dans le centre de la pièce un vide ou tout au moins une dilatation de la masse.

Nécessairement, dans ces conditions, la pièce de verre trempé occupe un volume plus considérable que celui qu’elle aurait eu si elle avait été refroidie lentement.

Souvent même il existe au centre de la pièce un vide plus ou moins considérable, qui peut atteindre dans des pièces de grandes dimensions un volume égal au centième du volume de la pièce.

Même s’il n’existe pas de vide à l’intérieur de la pièce de verre trempé, on comprend que la trempe a pour résultat de placer le verre dans un état d’équilibre instable tel que les molécules ont tendance à occuper leur position normale en se rapprochant vers le centre, si cet équilibre vient à être rompu sous une action mécanique.

Les larmes bataviques, qu’on obtient en laissant tomber dans l’eau froide une goutte de verre très fluide, ne sont autre chose que du verre trempé à un très haut degré. On sait combien elles sont fragiles; il suffit d’en

briser la pointe pour voir la masse entière éclater avec bruit et se résoudre en une infinité de morceaux.

Dans le but d’établir l’état moléculaire du verre trempé, M. de Luynes a fait des expériences très intéressantes sur les larmes bataviques.

Il a reconnu qu’on peut couper à l’acide toute la queue AB d’une larme batavique sans en amener la rupture ( fig . 4).

L’explosion ne se produit que quand on arrive au col de la larme en A, c’est-à-dire au point de divergence de la poire.

De même, on peut, sans Fig. 5.

amener la rupture, ronger à l’acide toute la partie renflée CD d’une larme (fig. 5), à la condition de soustraire à l’action de l’acide toute la queue et la partie du col se rattachant à la poire.

Ces deux expériences prouvent d’abord que la stabilité de la larme dépend surtout de l’existence des parties de verre qui constituent l’origine du col, et en second lieu qu’en respectant ces parties on peut enlever successivement toutes les couches extérieures de la larme sans que la rupture ait lieu, ce qui semble bien annoncer que l’existence de ces couches n’est pas nécessaire au maintien de l’équilibre.

Par contre, si on use sur le plateau d’un tour l’extrémité renflée d’une larme (fig. 6), on constate inévitablement la rupture; de même, si l’on essaye de scier cette extrémité. Dans les deux cas, la rupture se produit au moment où, mettant à nu le noyau central, on rend aux couches superficielles la liberté de se mouvoir.

Puisque toutes les molécules superficielles sont dépla-

cées, il doit en résulter une différence dans l’arrangement de ces molécules après la rupture. On observe en effet, généralement, que les parties voisines de la queue forment des cônes dont le sommet est dirigé vers la partie renflée, l’inverse ayant lieu pour les parties voisines de ce renflement (fig. 7).

„ , Les larmes bataviques

peuvent donc être considérées comme une masse de verre dont les parties internes sont dans un état de dilatation forcée, état analogue à celui que M. Berthelota observé pour certains liquides.

Cette hypothèse est confirmée par les faits suivants :

1° Le verre trempé a une densité plus faible que le verre bien recuit ;

2° Les couches intérieures sont moins denses que les couches superficielles.

A l’appui de cette manière de concevoir la constitution des larmes bataviques, nous rappellerons qu’on a constaté que leur rupture est toujours accompagnée d’un dégagement de chaleur.

Caractères du verre trempe. — Le verre trempé a, sur la lumière polarisée, une action que ne possède pas le verre bien recuit, et qui est d’autant plus marquée que la trempe est plus accentuée.

Cette action est exactement la même que celle que peut produire le verre bien recuit soumis à une action mécanique qui le comprime. La seule différence est que, dans ce dernier cas, la propriété d’agir sur la lumière polarisée cesse quand l’action mécanique disparaît.

Quand on examine une lame de verre trempé à la lumière polarisée, on aperçoit une croix noire dans les parties où le verre est resté à l’état naturel. On peut donc, en marquant ces points, scier le verre ou percer des trous suivant ces directions sans briser la lame. Dans les lames circulaires, le centre est un point neutre à trempe beaucoup moins forte.

On constate très généralement, dans le verre trempé, la présence de bulles volumineuses qu’on n’aperçoit pas au moment du coulage ou du moulage de la pièce, et qui ne se développent que par la trempe.

Si on recuit le verre, les bulles disparaissent ou, mieux, sont ramenées à un volume tellement faible qu’il faut avoir recours à la loupe pour les apercevoir. Une nouvelle trempe fait de nouveau réapparaître les bulles avec leur volume primitif.

Certains physiciens avaient pensé que ces bulles étaient causées par le retrait de la masse intérieure du verre, après la solidification de la surface. S’il en est ainsi, on doit pouvoir les obtenir avec du verre parfaitement affiné; or il n’en est rien et l’expérience suivante le démontre.

Si dans un bloc de verre trempé présentant des bulles on sépare par sciage, après recuisson, les parties exemptes de bulles et qu’on trempe à nouveau ces parties, on n’y voit pas apparaître de bulles. Ce n’est donc pas un vide qui se produit, mais plutôt une dilatation considérable des bulles gazeuses retenues par le verre incomplètement affiné.

On a constaté que la trempe augmente dans de notables proportions la flexibilité du verre et lui communique une résistance qu’il est loin d’avoir à l’état normal.

Un verre trempé ne se brise que sous l’action d’un choc violent ou d’un chauffage inégal de ses diverses parties. La

cassure ressemble à celle des larmes bataviques quand la trempe est très prononcée : une trempe douce donne, au contraire, une cassure à arêtes arrondies.

Les chiffres suivants permettront de se rendre compte de l’élasticité que possède le verre trempé comparativement au verre ordinaire.

Un poids de 270 grammes a cassé une lame de verre non trempé en tomban t de 1 mètre de hauteur ; le même poids tombant de 4 mètres ne casse pas le même verre trempé.

Un poids de 500 grammes tombant d’une hauteur de 1 mètre casse une glace en verre ordinaire recuit, tandis que le même poids tombant d’une hauteur de 4 mètres ne produit aucun effet sur le même verre trempé.

Applications du verre trempé. — On a naturellement cherché à tirer parti des propriétés qu’acquiert le verre sous l’action de la trempe. Il est regrettable que l’application de la trempe aux verres de toitures et aux vitres — qui serait la plus intéressante, puisqu’elle utilise surtout l’élasticité du verre — n’ait pu être généralisée.

L’impossibilité de couper au diamant, le verre trempé obligeait en effet à ne tremper ces pièces qu’après les avoir découpées, d’où nécessité de s’en tenir à la fabrication de certaines dimensions. D’autre part, le double chauffage augmentait le prix de revient.

Aussi la trempe est-elle uniquement pratiquée pour les objets moulés, objets de gobeletcric, verres de lampes, et encore pour ce dernier usage l’application est-elle restreinte par suite des sérieux dangers qu’elle présente.

Quoi qu’il en soit, en raison des curieuses propriétés que la trempe communique au verre, nous ne quitterons pas ce sujet sans dire quelques mots sur les conditions

dans lesquelles s’effectue industriellement la trempe du verre.

De l’influence de la nature du verre et de sa température sur la trempe . — La trempe ayant pour effet de contracter énergiquement les molécules extérieures du verre, ce phénomène s’accomplira dans des conditions d’autant meilleures que les molécules auront entre elles moins de cohésion.

Plus le verre sera malléable et se rapprochera de l’état pâteux, plus les molécules se déplaceront facilement pour se grouper suivant une certaine loi. La température minima est donc celle qui correspond au point de ramollissement du verre.

La limite maxima est donnée par ce fait qu’il faut éviter de déformer les pièces.

De cet ensemble de faits, il résulte que la température de trempe est variable pour chaque nature de verre.

D’autre part, puisque la trempe est d’autant plus forte que le refroidissement est plus brusque, on comprend qu’il faille éviter d’aller trop loin dans cette voie et de faire usage de bains trop froids, car si le déplacement des molécules est par trop accentué la rupture est inévitable.

Pour que la trempe soit uniforme, quel que soit le verre sur lequel on opère, il faut conserver un écart constant entre la température du verre et celle du bain.

La température de ce dernier variera donc avec la température de ramollissement du verre, c’est-à-dire avec sa composition chimique. On peut dire, en général, que le bain doit être d’autant plus chaud que le verre aura un point de fusion plus élevé : c’est ainsi que pour le cristal on donne au bain de trempe une tempéra-

ture comprise entre 60° et 120°, tandis que pour le verre ordinaire cette température doit varier entre 150 et 300°.

Une condition indispensable est que le verre soit également chaud en tous les points de sa surface, qu’il soit parfaitement homogène et absolument exempt d’impuretés, infondus ou larmes, dont la présence apporterait un trouble dans le retrait.

Composition du bain de trempe. — La composition du bain de trempe a une influence notable, ainsi que l’a démontré M. de la Bastie, l’inventeur des procédés de trempe, qui a fait sur ce sujet une étude très approfondie.

Il a déterminé le coefficient de solidité que chaque liquide donne au verre.

Dans l’eau le verre se brise presque toujours, tandis que dans l’huile ou les bains de graisse on obtient en général de très bons résultats.

La ^graisse épurée est employée pour la trempe du cristal de préférence à l’huile, cette dernière rendant les nettoyages plus dispendieux.

Pour le verre, la graisse seule ne peut plus être employée à cause de son point d’ébullition relativement bas ; on a recours à un mélange de trois quarts d’huile de lin et un quart de graisse.

Un bain de graisse qui ne serait pas parfaitement homogène, qui contiendrait des impuretés ou la plus petite quantité d’eau serait impropre à la trempe. C’est pourquoi la graisse nouvelle n’est jamais employée ; on lui fait subir au préalable un chauffage prolongé — pendant quatre ou cinq jours — à la température de 150°. Elle sert ensuite indéfiniment et est d’autant meilleure qu’elle est plus ancienne.

Manière de tremper les objets de gobeleterie. — La pièce terminée est réchauffée uniformément, puis retirée de l’ouvreau et détachée ensuite du pontil par un petit coup donné sur la tige, à l’aide d’un coin en bois. Elle est reçue dans un panier en treillis, qui lui-même est plongé dans le bain de graisse ou d’huile.

Ces paniers sont généralement de grandeur suffisante pour recevoir les produits qu’un ouvrier peut fabriquer en deux heures.

Trempe des carafes. — Pour les carafes et les récipients à col étroit, il se présente une difficulté pour réaliser l’introduction instantanée du liquide à l’intérieur. On a résolu le problème en faisant usage d’un siphon.

Nettoyage des objets trempés. — Après refroidissement dans le bain de graisse ou d’huile, les objets sont mis à égoutter sur des claies en treillis de fils de fer, puis passés dans un bain de soude caustique chauffé à 60° et ensuite rincés à l’eau à plusieurs reprises.

Le nettoyage des objets trempés à l’huile ne peut être effectué qu’à l’aide de l’essence de térébenthine.

Autres procédés de trempe

Verre durci par compression. — Le procédé que nous venons d’indiquer a l’inconvénient de ne pouvoir s’appliquer à de grandes dimensions et d’amener très fréquemment la déformation des pièces.

Siemens, de Dresde, ayant en vue surtout l’application de la trempe au verre à vitres, eut l’idée de refroidir les surfaces entre des plaques de terre cuite.

Ce procédé, qui constitue à la fois un mode de fabrica-

lion du verre, puisque les deux plaques forment un véritable moule, donne de très bons résultats et a permis, comparativement au procédé de M. de la Bastie, d abaisser le prix de revient du verre trempé.

Malheureusement, il n’est applicable qu’aux objets de formes simples.

Le verre durci de compression possède une résistance de beaucoup supérieure à celle que présentent les autres verres trempés ; sa cassure est tout à fait différente, elle est fibreuse et non cristalline. 11 ne se laisse pas non plus couper au diamant.

Verre trempé au moyen de la vapeur. — Pénétré des avantages que l’on peut retirer de l’emploi de la trempe, M. Léger a cherché à rendre ce procédé applicable à la fabrication de tous les verres, quelles que soient leurs dimensions et leur forme. Il préconise l’emploi de la vapeur; ce moyen de trempage a l’avantage de s’appliquer avec une simplicité et une économie d’outillage qui n’apportent aucune modification aux installations et aux pratiques habituelles de l’industrie verrière.

On peut, en trempant le verre au moyen de la vapeur, tripler et quadrupler sa résistance et lui donner, sous ce rapport, des qualités comparables à celles de la fonte. La résistance à la traction peut en effet atteindre il à 12 kilogrammes par millimètre carré, celle de la fonte étant de 12 kilogrammes. L’élasticité et la sonorité croissent dans une proportion analogue.

M. Léger applique la trempe, non seulement au verre, mais encore aux objets de poterie, briques, carreaux, dont la cohésion est ainsi accrue dans de notables proportions. Ces objets sont rendus beaucoup moins fragiles et acquièrent une grande résistance à l’écrasement et à l’usure.

Application du verre trempé à la fabrication de traverses de chemins de fer. — Une application très curieuse du verre trempé a été faite par M. Hamilton Lindsay Bucknall, qui, le premier, eut l’idée de faire usage du verre trempé pour la construction des traverses et des coussinets de chemins de fer.

Les pièces sont fabriquées dans des moules creux de construction originale. On protège les faces du moule du contact direct avec le verre en les recouvrant d’un treillis de toile métallique ; d’autre part, les parois du moule sont d’épaisseur variable suivant qu’elles correspondent à des parties enflées ou étranglées de l’objet à fabriquer.

C’est ainsi qu’aux endroits qui sont en regard des parties amincies de la pièce on donne au moule le maximum d’épaisseur, et inversement.

Par ce moyen, en faisant circuler un courant d’eau froide dans l’intérieur du moule, on provoque un refroidissement rapide, en même temps qu’uniforme, de toutes les parties de la pièce de verre.

La résistance des traverses ainsi obtenues serait très considérable, supérieure même à celle des traverses en fonte, ainsi qu’en donnent la preuve les résultats ci-après.

On a trouvé que, placées sur deux supports distants de 0m,45, elles résistaient à une charge d’environ 766 kilogrammes par centimètre carré.

Dans les essais exécutés à l’usine de M. Henderson d’Irvine, un poids de 450 kilogrammes tombait sur une plaque de verre de 0m,225 de côté et de 28 millimètres d’épaisseur, placée sur un ballast en gravier de 0m,225 de profondeur. Un coussin en bois de 3 millimètres étant placé entre le verre et le rail, la hauteur de chute fut portée successivement de 0m,30 à lm,65, 2m,10, 3m,75, 4m,50 et 6 mètres sans qu’il se produisît de rupture.

Le rail se brisa par cette dernière hauteur, et, comme la grue ne pouvait soulever le poids plus haut et qu’on ne pouvait employer un poids plus lourd, on prit un rail à section plus faible. Dans ces conditions, le verre fut rompu avec une hauteur de chute de 6 mètres.

Dans les mêmes conditions, une plaque de fonte de 0m,225de côté, épaisse de 13 millimètres, se brisa par une hauteur de chute de 3 mètres.

Le prix de revient de ce verre trempé ne dépasse pas celui de la fonte ; si, d’autre part, on tient compte de la faible densité du verre et de ses qualités de résistance à l’action des agents atmosphériques, on est amené à penser que l’application du verre trempé est appelée à un grand avenir.

5. — Résistance du verre aux actions mécaniques. Flexion. — Les essais faits sur les différents verres ont donné les résultats suivants :