LA FRACTURA DEL VIDRIO

Francisco Capel

Instituto de Cermica y Vidrio. Consejo Superior de Investigaciones Cientficas. C/ Kelsen, n 5, 28049 Madrid. Espaa

E-mail: fcapel@icv.csic.es

RESUMEN

En este trabajo se presenta, en primer lugar, una breve introduccin de la fsica de la fractura del vidrio, en donde se exponen las propiedades mecnicas, la mecnica de fractura y, en segundo lugar, el anlisis fractogrfico as como los distintos tipos de propagacin de la rotura que, normalmente, se presentan en el vidrio. El conocimiento del vidrio desde el punto de vista de su resistencia mecnica y un anlisis detallado de la morfologa que presenta la fractura del mismo, nos permite conocer las causas que la han motivado, tanto en el caso del vidrio hueco, destinado a la fabricacin de envases, como en el vidrio plano,

Palabras clave: Fractura del vidrio, resistencia mecnica, fractografa.

ABSTRACT

In this paper, an introduction to the physics of fracture in glass is first presented, which exposes mechanical properties and fracture mechanics, are considered; secondly, the fractografic analysis as well as the where different types of spreading breakage that normally occur in the glass. A knowledge of the material from the standpoint of its mechanical strength and a detailed analysis of the morphology of the fracture, allows us to infer the causes of the fracture, in the case of hollow glass used in the manufacture of as well, as flat glass, whose application as a structural material is increasingly present in architecture.

Keywords: Fracture of glass, mechanical strength, fractografic.

1.-INTRODUCCIN

El vidrio cuyo origen se remonta a los 5.000 aos de historia es uno de los materiales ms utilizados en aplicaciones muy variadas. Tanto el vidrio hueco, destinado a envases con variados diseos, como el vidrio plano, con mltiples aplicaciones funcionales, han hecho de este material que sea imprescindible en la actualidad.

El vidrio hueco, en sus distintas aplicaciones, apenas tiene problemas de rotura, no sucede lo mismo con el vidrio plano. La utilizacin de este material como elemento estructural es cada vez ms abundante en la arquitectura actual. El vidrio, debido a su atractivo, es un material que est de moda y de ah su gran utilizacin por parte de los arquitectos a la hora de vestir los edificios con una piel que tiene mltiples posibilidades estticas, haciendo de los edificios autnticas cajas de cristal.

El vidrio es un material frgil y, desde el punto de vista estructural, es complejo y atpico y necesita un conocimiento profundo del mismo y de todas las solicitaciones externas a que est sometido para evitar roturas indeseables.

La fragilidad del vidrio se debe a la escasa velocidad con que se relajan en l las tensiones mecnicas que se generan cuando se aplica un esfuerzo determinado. Para superar dicha fragilidad y conseguir valores de resistencia mecnica, cada vez ms elevados, para su uso como elemento estructural, las propiedades mecnicas del vidrio se han convertido en una de las reas importantes de investigacin. Aunque el trmino fragilidad no admite una definicin precisa, sin embargo, tiene algn significado prctico. La fragilidad se considera como la negacin de la plasticidad, pero el concepto es algo ms complejo. Preston [1] estableci una serie de criterios para definir lo que es un material frgil:

a) Debe fallar a traccin pero no a cortadura. b) Deber tener un mdulo de elasticidad elevado c) Deber tener una gran resistencia mecnica a traccin. d) El material debe ser capaz de desarrollar fracturas bifurcadas por tensiones internas.

Lafragilidad se puede considerar como la suceptibilidad de la estructura de un material a la destruccin sin deformacin plstica. El vidrio se considera como un material elstico casi ideal. Aunque su deformacin elstica es muy pequea, sin embargo, antes de fracturarse el vidrio cumple la ley

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de HOOKE: la deformacin que sufre un material es proporcional a la tensin aplicada. La constante de proporcionalidad se denomina mdulo elstico.

Los vidrios, por debajo de su temperatura de relajacin, se caracterizan por presentar nicamente un intervalo de deformacin elstica lineal y una fractura frgil que se produce espontneamente cuando se sobrepasa su lmite de elasticidad.

2.-RESISTENCIA MECNICA DEL VIDRIO

La resistencia mecnica terica del vidrio pone de manifiesto que sus propiedades no son suficientemente conocidas. Sus valores estn comprendidos entre 6.000 y 9.000 MPa (10.000 MPa para la slice), muy superior a la de los aceros, frente a los 50-70 MPa que presentan los vidrios sodo-clcicos. La resistencia terica est calculada sobre la base de la energa necesaria para romper los enlaces Si-O. En la mayora de los materiales existe una discrepancia entre la resistencia mecnica terica y la prctica, pero rara vez supera un orden de magnitud, cosa que no sucede con el vidrio.

Se han postulado varias teoras que explican dicho comportamiento, siendo la ms aceptada la de GRIFFITH [2], que supone la existencia de microgrietas en la superficie que actan como centros de concentracin de tensiones. Otros autores como FISHER, PONCELET y COX consideran que las fisuras o microgrietas aparecen como consecuencia de la aplicacin de una tensin en el vidrio.

Generalmente la resistencia mecnica del vidrio disminuye con el grado de deterioro de su superficie. Segn GRIFFITH-INGLIS [2,3] la resistencia mecnica es proporcional a la profundidad de grieta, de ah la baja resistencia mecnica que presentan los vidrios abrasionados. Los vidrios atacados al cido (por ejemplo con HF) o bien pulidos presentan las resistencias mecnicas ms altas debido a la eliminacin de las microfisuras superficiales, aunque no se acercan a la resistencia terica del mismo.

Los fenmenos de fatiga estn asociados al efecto que sobre la resistencia mecnica tiene el tiempo de aplicacin de la carga. Hay que distinguir dos aspectos observados experimentalmente:

a). La tensin de rotura es ms alta a medida que aumenta la velocidad de aplicacin de la carga: fatiga dinmica. b). En el lmite de velocidad de aplicacin de la carga infinitamente lenta, es decir, una carga constante aplicada a distintos tiempos, da distintos valores para la tensin de rotura: fatiga esttica.

El efecto de fatiga esttica presenta las siguientes caractersticas: - Se produce slo en presencia de humedad. No se observa en el vaco.

- No se observa a muy bajas temperaturas (velocidades de reaccin dbiles). - Se acenta cuando la temperatura se eleva. - No depende de la importancia de la fisura. - Depende de la composicin del vidrio.

Los fenmenos de fatiga son el resultado de una aceleracin en la velocidad de corrosin de la superficie del vidrio por el vapor de agua cuando el vidrio es sometido a una tensin y que causan un crecimiento de las grietas subcrticas existentes hasta un tamao crtico en el cual se produce la rotura instantnea. El modelo de CHARLES y HILLING [4] constituye la teora ms completa sobre fatiga esttica al describir mejor que cualquier otra los resultados experimentales. Su teora considera que la fractura est determinada por un mecanismo de corrosin qumica provocada por el agua en el extremo de la microfisura, y que la energa de activacin del proceso de corrosin es una funcin de la tensin a traccin que acta sobre la superficie. La incorporacin del agua al vidrio se efecta por un mecanismo de rotura hidroltica de los enlaces Si-O-Si y fijacin de los grupos OH [5].

3.-MECNICA DE FRACTURA

La mecnica de fractura nos define un campo de separacin entre las propiedades del material y la distribucin de sus defectos. Por otro lado intenta relacionar las propiedades mecnicas de los materiales con su microestructura [6].

En el proceso de fractura hay que tener en cuenta que cuando son materiales eminentemente frgiles, la deformacin plstica a temperatura ambiente no est asociada al movimiento de dislocaciones de forma que las grietas pueden considerarse afiladas a nivel atmico [7]. La resistencia a la fractura vendr dada por la propia red cristalina, y otros mecanismos de aumento de tenacidad, y no por el movimiento de dislocaciones como ocurre en los metales. Aunque estos materiales se pueden tratar a partir de la Mecnica de la Fractura Elstica y Lineal, hay mecanismos fsicos como son las zonas microfisuradas, zonas con transformaciones martensticas, o interaciones entre los labios de la fisura en la cola de la grieta que originan una zona capaz de transmitir carga a pesar de que el material se encuentre fracturado [8]. A esta regin se la denomina cohesiva y es la responsable de que se originen comportamientos no lineales.

3.1.-Propagacin catastrfica de una grieta: 3.1.1.-Principio energtico de Griffith

El gran fsico britnico A.A.GRIFFITH [2], adelantndose a su tiempo, abord el problema de la fractura de los cuerpos frgiles, estableciendo su clebre criterio de balance energtico. Un importante precursor de los estudios de Griffith fue el anlisis de tensiones de Inglis sobre un cuerpo tensionado uniformemente conteniendo una fisura de forma elptica. Si la tensin

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aplicada es l, demostr que la tensin mxima en la punta de la grieta viene dada por la expresin (1):

max l= [1+(2a/b)] (1)

siendo 2a el ancho de la fisura y 2b la longitud de la fisura y que es superior a la tensin aplicada. Cuando max = th se producir el crecimiento de la fisura. Esto significa que la grieta se prolonga y la rotura se producir a deformaciones ms bajas que las tericamente requeridas. Es decir que con la propagacin de estas grietas la fractura mecnica se autodirige.

Los trabajos de Griffith demostraron que la energa de deformacin elstica almacenada poda ser igualada a la energa de superficie que se forma por la propagacin de la grieta.

Griffith ide un modelo para la propagacin de grietas en trminos de un proceso termodinmico reversible, basndose en el concepto de que todo sistema esttico tiende al equilibrio buscando una situacin de mnima energa libre. Dedujo la tensin mxima que puede soportar un vidrio sin romperse, que contiene una fisura de longitud 2a, viene dada por la expresin (2).

of

2E=

a

pi (2)

Siendo E el mdulo elstico y o la energa superficial del material.

Si queremos obtener un material de alta resistencia debe tener un alto valor del mdulo E, pequeo tamao de defecto a, y alta energa superficial o, lo que se traduce en conseguir mejor empaquetamiento atmico unidos por enlaces lo ms energticos posibles (enlaces covalentes).

3.1.2.-Principio analtico de G.R. Irving

Los modos de propagacin de una grieta en funcin de las fuerzas aplicadas y sus correspondientes superficies de fractura se pueden resumir en tres casos o modos: Modo I, abertura de grieta; Modo II, deslizamiento y Modo III, cizalladura. Cualquier otro modo de fractura es una combinacin lineal de los mismos. El Modo I es ms peligroso y el ms frecuentemente encontrado en la propagacin de una grieta de los materiales frgiles.

Irwin [3] generaliza la teora de Griffith y define el trmino a1/2, como factor de intensidad de tensiones K, el cual mide la intensidad de la tensin debido a la presencia de una grieta. Considera el campo de tensiones creado en el frente de una fisura de un material sometido a una tensin . Mediante anlisis tensorial, utilizando las funciones de Westergaard [9] se puede describir el estado de tensiones en un punto M(r, )

situado a una distancia r (r

propagacin depende de la longitud de la fisura inicial, velocidad de aplicacin de la carga, humedad ambiental y composicin del vidrio.

El estudio y anlisis de la forma y tipo de fractura de un material se conoce con el nombre de fractografa.

Cuando un vidrio se fractura debido a un esfuerzo de traccin, la nueva superficie creada, denominada superficie de fractura, por la rotura presenta tres zonas perfectamente delimitadas en la superficie de fractura tal y como se aprecia en la figura 1.

Fig. 1.-Espejo de fractura de una varilla rota por traccin: a) zona de espejo (mirror); b) zona de niebla (mist) y c) zona de estras (hackle). A) origen de la fractura.

La zona espejo es la zona inmediatamente vecina al punto de origen A, es lisa y brillante, aunque si la tensin de rotura es muy grande puede llegar a ser algo nebulosa. Se ha observado experimentalmente en vidrios que: el radio de la zona espejo r y la tensin de fractura f estn relacionados mediante una ecuacin definida empricamente por la expresin (8):

A = f r1/2 (8)

siendo A una constante denominada constante espejo. La zona espejo puede dar valiosa informacin sobre la fractura: la posicin de la zona espejo indica el origen de la fractura; la forma nos da idea de la distribucin de tensiones y el tamao nos indica la magnitud de la tensin que gener la fractura.

La zona de niebla est formada por un arco estrecho que rodea a la zona de espejo y su superficie de fractura presenta un aspecto rugoso.

La zona de estras o zona de fractura propiamente dicha, est formada por dos tipos de lneas, que corresponden a la interaccin con defectos del material de las dos ondas de propagacin, la transversal y la

longitudinal. Por un lado tenemos las lneas radiales que parten de la zona de niebla y siguen paralelamente a la direccin de propagacin y, por otro lado, se observan una sucesin de ondas de fractura.

Para analizar una fractura se puede emplear desde la observacin a simple vista, hasta la observacin por microscopa electrnica. En investigacin tiene ms inters las fracturas controladas, pero de hecho las fracturas de los materiales se presentan en las condiciones de uso de los mismos, con lo cual hay que analizar a posteriori las posibles causas que las motivaron, siendo a veces muy difcil su interpretacin.

Se debe empezar siempre la observacin a pocos aumentos y posteriormente ir ampliando dicha observacin con objeto de tener siempre presente una visin de conjunto de la muestra. Es conveniente disponer de un croquis de la probeta para conocer en cada momento la zona que se est observando, as como las caractersticas de la misma.

4.1. Propagacin de la rotura.

La propagacin propiamente dicha de la fractura sigue una serie reglas caractersticas dependiendo de la direccin y magnitud del esfuerzo de traccin que ha provocado la rotura. En la figura 2, se presentan los distintos tipos de propagacin de la fractura en el vidrio [11 ].

-La direccin de propagacin de la fractura es perpendicular al esfuerzo de traccin que la produjo (a).

-Si no existen inhomogeneidades y tensiones permanentes o temporales en el vidrio, la propagacin de la fractura es recta. En caso contrario sigue una trayectoria curva correspondiendo las zonas externas a la parte convexa a zonas de tensiones a compresin, y las internas a la parte cncava a zonas de tensin a traccin. La fractura evita pasar por zonas a compresin. A altas velocidades de propagacin, ms recta es la propagacin (impacto); a bajas velocidades de propagacin hay ms tendencia a curvarse (choque trmico, b)

-En ausencia de tensiones e inhomogeneidades en el vidrio y si el esfuerzo aplicado es elevado, la fractura se bifurca de forma simtrica. La distancia del punto de

a

b

c

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Fig. 2.-Tipos de propagacin de la fractura en el vidrio [11].

origen a la cual aparece la bifurcacin, es inversamente proporcional al cuadrado de la tensin de fractura inicial y no depende de la velocidad de propagacin. El ngulo de una bifurcacin simple, en ausencia de tensiones, es de 45 (c). En el caso de envases rotos por presin interna el ngulo puede se mayor, de hasta 90 (d).

-Si el esfuerzo de traccin forma cierto ngulo con la superficie del vidrio se pueden producir fracturas paralelas a la superficie del vidrio, roturas concoidales. 4.2. Inclusiones en el vidrio.

Siempre que aparece una heterogeneidad en el vidrio se genera una tensin a su alrededor. Normalmente cuando aparece un infundido, piedras, etc, los sistemas de deteccin del control de calidad hace que rechacen bien las unidades de vidrio hueco que contenga dicha inclusin o bien las zonas en donde aparecen en el vidrio plano. Sin embargo, hay otro tipo de inclusiones metlicas, debidas al sulfuro de nquel, que son muy difciles de detectar a causa de su pequeo tamao, 100-500 m y que dan lugar a roturas espontneas en los vidrios templados trmicamente [5]. Una vez instalados, debido a las enormes tensiones mecnicas que se generan a su alrededor, por el aumento de volumen que tiene lugar en la transformacin - de la

variedad exagonal del sulfuro de nquel de alta temperatura, con estructura de niquelina, a la fase conocida con el nombre de milerita, que es la forma rombodrica estable a baja temperatura, Fig. 3.

Fig. 3.-Fractura de un vidrio templado por inclusin de una partcula de sulfuro de nquel.

En este caso la determinacin mediante el anlisis fractogrfico de la patologa de un vidrio monoltico es imposible debido a que el vidrio se destruye totalmente por estar templado. En los vidrios laminares, si hay posibilidad de visualizar y analizar la inclusin metlica que provoc su rotura.

5.-PRINCIPALES TIPOS DE FRACTURA QUE PRESENTA EL VIDRIO.

La extensa aplicacin del vidrio en la actualidad y el complejo comportamiento mecnico que presenta el material ante las distintas solicitaciones externas a que est sometido durante su uso, hace que cada vez ms sea imprescindible el conocimiento del material para adaptarlo correctamente a la aplicacin a la que a sido requerido.

Las principales roturas que se vienen produciendo en el vidrio, tanto en vidrio hueco como en el vidrio plano estn relacionadas fundamentalmente con los siguientes aspectos:

Vidrio hueco: - tensiones permanentes (mal recocido) - impacto - presin interna - dimensiones/diseo - infundidos

Vidrio plano: - choque trmico/acabado defectuoso de sus bordes - impacto - clculo incorrecto de las dimensiones - montaje inadecuado/limitacin de la dilatacin - inclusiones metlicas: sulfuro de nquel (vidrios templados trmicamente)

Agradecimientos:

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A D. Jos Pablo Calvo del CITAV, por la ayuda recibida en la resolucin de problemas de fractura en los vidrios con aplicacin estructural.

REFERENCIAS

[1] Preston, F.W.,J.Am.Ceram. Soc.,15,176 (1932) [2] A.A.Griffith, "Phil. Trans. Roy. Soc, Vol. A221, p. 163-197. London (1921). [3] G.R.Irwin, "Analysis of stresses and strains near the end of a craack traversing a plate. J. Appl.Mech. Vol. 24, n 3, p. 361-364, 1957 [4] Charles, R.J., J.Appl. Phys. 29 (1958) p.1657. [5] Fernndez, J.M., El Vidrio. Ed. C.S.I.C. Madrid 1985 [6] R. W. Davidge, "Effects of Microstructure on the Mechanical Properties of Ceramics. Fracture Mechanics of Ceramics. Vol. 2 Edit. Bradt, Hasselman, [7] B.R. Law, "Fracture of brittle solids". Ed. Cambridge University Press, U.K. (1993). [8]J. Y. Pastor, "Fractura de materiales cermicos estructurales avanzados". Tesis Docoral. Facultad de Ciencias Fsicas. Universidad Complutense. Madrid 1993. [9] H.M. Westergaard, "Bearing pressures and cracks". J.Appl. Mech. 139, Vol. 61, 1939. [10] R. Torrecillas, "Comportamiento mecnico de Mullita y Mullita -Circona obtenida por sinterizacin reactiva". Tesis. Universidad de Educacin a Distancia. Madrid, 1990. [11]Mari, E., Los Vidrios. Ed. Americalee Buenos Aires (Argentina), p.98 1982

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