Reflets de la Physique n°63 oct/nov/déc 2019
Reflets de la Physique n°63 oct/nov/déc 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°63 de oct/nov/déc 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 68

  • Taille du fichier PDF : 7,6 Mo

  • Dans ce numéro : physique et matérieux anciens.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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F m σ Y fragile contrainte P σ Y b 0 rupture ductile p (μm) t 3 matière ductile φ=1 domaine rupture domaine 2 φ linéaire plastique élastique pour σ Y <σ 1 a φ=0 ε 0 déformation 500 1000 1500 matière fragile c t (s) D ‘ 1. Caractérisation des propriétés mécaniques des matériaux. (a) Comparaison des courbes d’évolution de la contrainte σ en fonction de la déformation ε pour un matériau fragile (courbe bleue) et un matériau ductile (courbe verte). La partie linéaire correspond au régime élastique. La limite entre les domaines élastique et plastique est donnée par la contrainte critique σ Y. (b) Caractérisation mécanique par technique de micro-indentation. Cette technique consiste à faire pénétrer une pointe, ici sphérique, dans la matière avec une force contrôlée notée F met à mesurer la profondeur p de pénétration dans le matériau. (c) Évolution temporelle de p dans des couches modèles dont on contrôle les propriétés mécaniques en mélangeant des particules dures et molles ; φ représente la fraction volumique des particules molles. Pour la matière ductile (φ élevé), la réponse à l’application de la force prend un certain temps (composante visqueuse). Peintures Modèles 100 μm 2. Les différents réseaux de craquelures en fonction des deux paramètres qui agissent de la même manière sur la formation des craquelures  : l’épaisseur des couches et les propriétés mécaniques (fragilité, ductilité), dans les peintures (en haut) et dans les systèmes modèles obtenus par séchage (suspensions aqueuses de nanoparticules déposées sur une lame de verre assurant une bonne adhésion entre support et suspension, en bas). » > la contrainte critique. Un autre type d’expérience de micro-indentation consiste à imposer une force constante et à enregistrer l’évolution temporelle de la déformation (expérience de fluage, voir les figures 1b et 1c). On peut ainsi déterminer la dynamique de réponse du matériau à l’application de la force et estimer une composante visqueuse. En modifiant les compositions de ces systèmes modèles, à l’instar de ce qui se produit dans une peinture, il est donc possible d’obtenir des matériaux plus ou 34 Reflets de la Physique n°63 Force Matière ductile Matière fragile Pas de craquelures Réseau sinueux Réseau connecté Force Épaisseur h ou fragilité croissante de la matière moins fragiles. La modification du caractère ductile/fragile agit de la même manière qu’une modification de l’épaisseur de la couche. Ainsi, en augmentant l’épaisseur d’une couche, ou bien en rendant la matière plus fragile, il est possible de reproduire les principales morphologies de craquelures observées dans les peintures [4] et que nous classerons en deux grandes catégories  : les réseaux sinueux et les réseaux connectés, représentés sur la figure 2 à la fois pour des peintures et des systèmes modèles. On observe que les réseaux dits « sinueux » se forment soit dans des matériaux ductiles, soit dans des couches de faible épaisseur présentant des défauts. Les craquelures ne sont pas rectilignes et sont courtes, d’où la dénomination « sinueux ». Les réseaux dits « connectés » sont pour leur part caractéristiques des matériaux fragiles ou peuvent se rencontrer dans des couches d’épaisseurs importantes. Les craquelures sont rectilignes, elles forment un réseau fermé. Ces réseaux sont de même nature que ceux observés sur des céramiques anciennes, par exemple (fig. 4). Dans tous les cas, la formation de craquelures nécessite la présence de défauts dans la matière. Il est possible d’effectuer des prélèvements sur les peintures (sur les bords du tableau) afin d’évaluer par mesures d’indentation les propriétés mécaniques des différentes couches. Suivant les pigments utilisés, le module élastique peut varier de plus de trois ordres de grandeur et la rigidité d’une couche augmente généralement avec son âge, comme le suggèrent des expériences réalisées sur des peintures modèles sur une quinzaine d’années. Le vieillissement de la matière, l’environnement, le caractère multicouche ou encore la déformation du support sont autant de sources de modifications de la matière et de contraintes qui vont générer des réseaux dont les morphologies sont diverses et complexes. Bucklow [3] a proposé une classification simplifiée, fondée sur l’observation des différentes écoles de peinture à travers les siècles et leur origine géographique (France, Flandre, Allemagne et Italie). Il a ainsi pu extraire un nombre réduit de critères caractérisant un réseau de craquelures, comme la forme de ces dernières, leur densité, ou le type de connections... Visuellement, en isolant une craquelure, on peut différencier, indépendamment du type de réseau, deux grandes familles de craquelures  : les craquelures prématurées, aussi dites « de séchage », et les craquelures d’âge. Les premières se forment dès le début de la vie de la peinture, généralement au cours de la consolidation de la couche picturale, par un séchage chimique ou physique. On a alors fissuration d’un matériau ductile. Ces craquelures prématurées sont dues à un défaut de mise en œuvre de la peinture, à une consolidation trop rapide liée à la matière utilisée ou à
2015, Elsevier Masson SAS [5]. a1 a2 8 b 3. Craquelures prématurées et craquelures d’âge. (a1) Luigi Cherubini et la Muse de la poésie lyrique, Ingres (1842), huile sur toile, Musée du Louvre (Wikimedia Commons). (a2) Le visage de la Muse révèle ses craquelures prématurées, très ouvertes, présentes dans le front (agrandies dans l’insert, en bas à droite). (b) Portrait d’une jeune fille, Petrus Christus (vers 1470), huile sur bois de chêne, Gemäldegalerie, Berlin  : on observe de fines craquelures d’âge se formant au cours du vieillissement dans un matériau fragile. (Wikimedia Commons. Photo  : www.google.com/culturalinstitute/asset-viewer/UAGsuo- FcmmRiTg/Google Art Project). e 0.0e. e js. Rétraction de la couche induite par évaporation de solvant Rétraction de la couche induite par évaporation de solvant Rétraction de la couche induite par refroidissement Rétraction de la couche induite par refroidissement 1 cm 1 cm 5 mm 5 mm T 0 T 1 < T b 0 T 0 T 1 < T 0 4. Schémas représentant les mécanismes conduisant à la formation d’une craquelure. (a) Dans une couche libre (en haut), constituée de pigments et d’interstices remplis d’un solvant volatil qui sèche, la matière se rétracte. Dans le cas avec substrat (en bas), la rétraction à l’interface de la couche et de l’air est contrariée par la forte adhésion de la couche avec le support  : il en résulte une déformation différentielle qui est relaxée par la formation de craquelures de séchage. (b) Couche d’un matériau soumis à une diminution de température, dans une situation sans substrat (rétraction) et sur substrat (formation de craquelures). Photos  : élément d’une céramique chinoise des dynasties Song et Yuan (960-1368, Shanghai Institute of Ceramics) et image agrandie obtenue par traitement d’image du réseau de craquelures. o a o Comportement macroscopique l’impatience du peintre qui n’a pas respecté, par exemple, la règle du « gras sur maigre » (qui postule qu’il faut attendre suffisamment de temps avant de déposer une nouvelle couche afin de s’assurer que la couche inférieure est totalement sèche). Une peinture d’Ingres montre un tel exemple (fig. 3a1). On sait que l’artiste a laissé le soin de terminer le visage de la Muse à son disciple de l’époque. Ce dernier n’a pas utilisé les mêmes compositions de peinture, en prenant un liant sans doute trop chargé en huile et en bitume (très fréquemment utilisé à l’époque). La consolidation a conduit à la formation de craquelures très ouvertes (fig. 3a2), caractéristiques de craquelures de séchage. La pénétration de ces craquelures est en général limitée à une ou deux couches au maximum. Leur grande ouverture résulte de la rétraction importante de la couche, qui va glisser sur la couche inférieure [2]. Ces craquelures prématurées peuvent aussi influencer le tracé de celles qui apparaitront plus tard, les craquelures d’âge. Ces dernières se forment au cours du vieillissement de la peinture. Elles sont fines et se développent dans l’ensemble de la stratigraphie de la couche picturale (fig. 3b). Elles sont associées à une matière fragile et rigide (de module élastique élevé), qui casse dans le domaine élastique. En vieillissant, la matière devient généralement de plus en plus fragile. Visuellement et sans faire aucun prélèvement, il est ainsi possible de discriminer les craquelures  : si elles présentent des ouvertures importantes, il s’agira de craquelures prématurées, et si elles sont très fines, de craquelures d’âge. La formation des craquelures Les systèmes modèles (suspensions de nanoparticules) permettent de comprendre les différents mécanismes physiques à l’œuvre lors du séchage et en particulier la formation d’un réseau de craquelures. Lors du séchage d’une peinture, le solvant s’évapore, la concentration en particules solides augmente. Des contraintes se développent dans le matériau, générées par de fortes pressions capillaires liées aux ménisques air/liquide qui apparaissent suite à la disparition du solvant. Les contraintes ne sont alors pas constantes dans l’épaisseur, mais plus fortes au voisinage de l’interface avec le support. Sous » > Reflets de la Physique n°63 35



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