Rôle de la convection dans le processus de chauage

2.3.3.1 Température de l'air égale à 80°C

Sur la gure 2.8 est présentée la distribution des températures au niveau du contact pointe-échantillon lorsque la pointe a pénétré dans le matériau de 50 nm. La température de l'air est de

80°C. Lorsque la pénétration atteint 50 nm, la température de la pointe a déjà atteint 67°C environ, le massif s'est refroidi au niveau de la zone de contact en atteignant 77,5°C. Le contact entre la pointe et l'échantillon permet donc un chauage de la pointe par conduction et convection, avec un léger refroidissement du massif par conduction au niveau du contact. La zone de refroidissement du massif possède un rayon d'environ 430 nm.

Figure 2.8  Distribution des températures dans la zone de contact lors d'une pénétration de 50 nm pendant 60 s (température de l'air égale à 80 °C).

Figure 2.9  Distribution nale des températures dans la zone de contact lors du maintien à enfoncement constant durant 24 heures (température de l'air égale à 80 °C). L'équilibre est atteint

Lors du maintien à enfoncement constant, l'augmentation de la température de la pointe est très rapide (gure 2.9), ceci étant dû à sa forte conductivité, mais aussi à la convection de l'air qui est à 80°C. La température de la pointe atteint 80°C au bout de 580 s environ, soit 10 min. Donc si l'air environnant la pointe est à 80°C, le processus de chauage de la pointe est très rapide. 2.3.3.2 Température de l'air égale à 25°C

Sur la gure 2.10 est présentée la distribution des températures au niveau du contact pointe-échantillon lorsque la pointe a pénétré de 50 nm, lorsque l'air est à une température de 25°C. L'évolution de la température est diérente par rapport au cas précédent. Lorsque la pénétration atteint 50 nm, la pointe est toujours à 25°C. Au niveau de la zone de contact, le massif s'est refroidi, atteignant 70°C environ juste en-dessous du contact.

En maintenant cet enfoncement constant durant 24 heures, la température de la pointe a augmenté de 1°C (gure 2.11). La distribution des températures du massif n'a pas évolué. Par conséquent, si l'air ambiant est à 25°C, alors la pointe n'est que très peu chauée, et l'échantillon refroidit. La convection joue donc un rôle important ici, ce qui peut être expliqué par le fait que la surface d'échange entre la pointe et l'échantillon est très faible par rapport à la surface d'échange entre la pointe et l'air. Il est donc nécessaire de connaître la température de l'air au voisinage de l'indenteur pour savoir si ce processus de chauage est réalisable.

Figure 2.10  Distribution des températures dans la zone de contact lors d'une pénétration de 50 nm pendant 60 s (température de l'air égale à 25°C).

Figure 2.11  Distribution nale des températures dans la zone de contact lors du maintien à enfoncement constant durant 24 heures (température de l'air égale à 25°C).

An de connaître la température de l'air, nous avons installé dans le nano-indenteur XP®

une sonde à résistance en platine (PT100 4 ls) au voisinage de la pointe, entre l'échantillon et celle-ci, et nous avons mesuré la température de l'air (la température des plaques chauantes est de 80°C). Cette mesure expérimentale est tracée sur la gure 2.12. Lorsque les platines chauantes sont chauées à 80°C, l'air au voisinage de la pointe et de l'échantillon est à 60°C.

3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 7 5 8 0 8 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 Points expérimentaux Régression linéaire Te m pé ra tu re a ir (° C ) Température porte-échantillon (°C)

Figure 2.12  Evolution de la température de l'air en fonction de la température du porte échan-tillon. La mesure est eectuée avec une sonde à résistance en platine.

2.3.3.3 Température de l'air égale à 60°C

Sur la gure 2.13 est présentée la distribution des températures au niveau du contact pointe-échantillon lorsque la pointe a pénétré de 50 nm. La température de l'air est de 60°C. Quand la pénétration atteint 50 nm au bout de 60 s, la température de la pointe atteint 52°C, et le massif, au niveau de la zone de contact, refroidit à une température de 75°C.

Figure 2.13  Distribution des températures dans la zone de contact lors d'une pénétration de 50 nm pendant 60 s (température de l'air à 60 °C).

Figure 2.14  Distribution nale des températures dans la zone de contact lors du maintien à enfoncement constant durant 24 heures (température de l'air à 60 °C).

Au bout de 24 heures, la température de la pointe atteint 60°C et la température du massif est à 76°C (gure 2.14). Par conséquent, si la température de l'air environnant l'indenteur et le massif est de 60°C, l'indenteur est chaué par convection à la température de l'air et l'échantillon est refroidi de 4°C par conduction au niveau de la zone de contact.

2.3.4 Conclusion intermédiaire

A travers ces simulations numériques, nous avons montré que le processus de chauage de la pointe par contact est fortement dépendant de la température de l'air environnant. Si l'air est à la même température que l'échantillon chaué, alors la pointe est rapidement chauée à la température de consigne. En revanche, si la température de l'air est diérente de la température de l'échantillon, alors la pointe n'atteint pas la température de consigne, mais la température de l'air, ce qui entraîne un refroidissement de l'échantillon, dans la zone de contact sous la pointe. Réaliser des essais de nano-indentation instrumentée sous haute température sans système de chauage de pointe est donc très complexe. De plus, la silice possède une faible conductivité thermique, ce qui diminue la zone de refroidissement de l'échantillon [65]. Enn, notre modèle est une simplication du système réel, car le dispositif expérimental complet n'est pas modélisé, et sa prise en compte entraînerait des conditions en température encore plus sévères au niveau de la zone de contact indenteur - échantillon (refroidissement plus important de l'échantillon, distribution des températures de l'indenteur diérentes, etc.). Un système de chauage de pointe est donc nécessaire an d'éviter le refroidissement de l'échantillon au niveau de la zone de contact.