Propiedades Mecánicas del Vidrio

Propiedades Mecánicas del Vidrio
Fragilidad
La fragilidad se considera corrientemente como la negación de la plasticidad,
pero el concepto es algo complejo, Preston expuso el siguiente criterio:

Debe fallar a la tracción pero no a la cortadura, esto es equivalente a decir que el
material se rompe antes que fluir, o sea lo contrario de lo que ocurre con los
materiales dúctiles.

Deberá tener un módulo de elasticidad de valor bastante elevado, el material puede
forzarse elásticamente muy poco antes de romperse eliminando así el estado
plástico.

Deberá tener una gran resistencia a la tracción.
La fragilidad es una propiedad relativa; muchos materiales que satisfacen estas tres
condiciones pueden considerarse frágiles, pero en comparación con el cobre ó el
plomo. Por ello Preston añade una cuarta condición como criterio de fragilidad

El material debe ser capaz de desarrollar fracturas bifurcadas por tensiones
internas.
Dureza
Al tratar la resistencia mecánica vemos que los ensayos realizados no miden la
resistencia del vidrio, sino la debilidad superficial.
Se han hecho muchos ensayos para determinar la dureza del vidrio, actuando
de diversas maneras sobre su superficie. Los resultados de estas investigaciones han
sido de utilidad limitada, por no haber una opinión unánime de lo que constituye la
dureza.
La concepción fundamental parece ser esta: cuando comprimimos una
sustancia dura por cualquier medio intentamos cambiar localmente su forma, la
superficie resistirá la deformación permanente.
Desgraciadamente esta es una concepción compleja que envuelve muchas
características del material, como resultado podemos concluir, por lo menos en lo que
concierne al vidrio, no hay propiedad capaz de dar medidas precisas de la dureza, a
pesar de esta situación se puede discutir la dureza a partir de la resistencia al rayado ó
la abrasión.
Resistencia al rayado
Puede desgastarse ó rayarse frotando un vidrio contra otro y la extensión del
deterioro dependerá de las propiedades de ambos vidrios, de la presión ejercida y de la
velocidad de rozamiento.
Una fricción lenta tritura el material arrancando y lo transforma en un polvo fino
que puede adherirse fuertemente a la superficie perjudicada, debido al astillamiento
puede también formarse polvo de vidrio suelto. Si tomáramos una fotografía con luz
polarizada, observaremos lesiones a lo largo de los bordes de la raya, indicando que se
produjo un resquebrajamiento de la superficie. Una fricción más rápida trae consigo un
calentamiento, que puede causar con frecuencia reblandecimiento en los bordes de la
raya.
Resistencia a la abrasión
La resistencia a la abrasión por impacto fue medida por Milligan, lanzando
ráfagas de arena contra un área determinada de la superficie del vidrio. Para cada
ráfaga empleaba una cantidad de abrasivo a una presión de aire determinada.
La dureza relativa de los vidrios viene representada por el número de ráfagas
que se necesitan en la muestra, para producir la misma profundidad de penetración
que en el vidrio patrón.
Bailey concluye que la facultad de un material para resistir la abrasión ó el
esmerilado, es una medida que no podemos en realidad llamar dureza, sino su poder
de absorber trabajo. La sílice fundida puede absorber más fácilmente la energía
recibida en la abrasión, sin que se produzca la ruptura del enlace interiónico ó
molecular. A causa de esta misma facultad un rayado en sílice fundida, no se extiende
apreciablemente y hay una pequeña pérdida de material, mientras que con el vidrio de
ventana se extiende a lo largo de los bordes de la raya y se pierde mucho más vidrio
del que se rayo inicialmente, las pequeñas esquirlas caen dentro de hendidura dando
el nacimiento a tensiones permanentes.
La resistencia del vidrio
La principal razón para medir la resistencia a la tracción, es la obtención de
datos que sirvan para deducir las condiciones de seguridad de trabajo del vidrio.
La resistencia del vidrio es un esfuerzo ó fatiga cuya intensidad se expresa en
Kg./mm², el método más directo para medirla consiste en tomar una varilla y cargarla
longitudinalmente con un peso gradualmente creciente hasta que se rompa.
Por lo general podrá localizarse el punto de la fractura y si el área de la sección
transversal en dicho punto es (A) y el peso ha llegado al valor (P), la resistencia ó fatiga
de fractura será (S) S=P:A estos ensayos son de tracción directa.
En general es más conveniente medir la fatiga de fractura por el método
indirecto consiste en flexar una varilla ó regleta de vidrio, apoyada por sus extremos en
dos aristas vivas cargándola con pesos en el punto medio.
La resistencia a la fractura por flexión se supone igual a la resistencia a la
tracción de las fibras del material situadas en la cara opuesta a aquella sobre la cual
actúa el peso.
Esto no es siempre cierto, puesto que el vidrio puede ser muy resistente en un
punto determinado y mucho más débil en los demás.
Si despreciamos esta posibilidad, será para una regleta de sección rectangular
de anchura (b) y altura (h), con una distancia ó luz entre apoyos (l)
s=
3 P L
2bh
2
Y para una varilla de sección circular de diámetro (d)
s=
4 P L
d
2
En la flexión con el peso cargado en el punto medio de la luz, la fatiga de las
fibras extendidas varía de cero hasta un máximo en el punto medio. Para una varilla de
longitud sometida a fatiga uniforme, se practica el ensayo de flexión con dos puntos de
carga equidistantes del centro de la luz y actuando en cada uno de ellos la mitad del peso
(P), si los apoyos están separados una distancia (l1) y los puntos de carga en otra
distancia (l2) será para la varilla de sección rectangular:
s=
3
P (L 1
2
bh
L2)
2
Y para la varilla de sección redonda
s=
4 P (L 1
d
L2)
2
El concepto que tenemos es que las imperfecciones aumentan las fatigas
Efecto de la Temperatura
Poco se conoce del efecto de la temperatura sobre la resistencia del vidrio, a
temperaturas ordinarias la ley de Hooke se verifica hasta el momento de la fractura, sin
región plástica.
No se ha puesto en evidencia que con el aumento de temperatura surja una
región plástica. Cuando aumenta la temperatura, la disminución de viscosidad
desvanece la resistencia.
Efecto de las tensiones
La mayoría de los objetos de vidrio están recocidos para quitarles las tensiones
perjudiciales que se forman durante la fabricación. Sin embargo es posible
deliberadamente dejar al vidrio sin recocer en condiciones reguladas, resultando en el
vidrio unas compresiones permanentes que pueden ser aprovechables, este tipo de
vidrio se conocen como templados.
Cuando una varilla templada se flexa, el esfuerzo de tracción desarrollado en
las fibras extendidas se suma con el de compresión, por lo que puede aplicarse una
carga considerable antes de vencer la compresión permanente, recién después de
pasar este estado el material está sometido al esfuerzo de tracción y posterior rotura.
Por ejemplo los vidrios recocidos soportan de 3,9 a 4,8 Kg./mm² y los vidrios
templados de 17,6 a 19 Kg./mm².
Resistencia térmica
La capacidad para resistir los choques térmicos, resultantes de los cambios
rápidos de temperatura es importante en aplicaciones del vidrio. La prueba del choque
térmico es solamente un medio para producir esfuerzos de tracción debido a las
diferentes dilataciones térmicas producidas por calentamiento ó enfriamiento rápido.
Si una varilla de vidrio con un coeficiente de dilatación, se calienta lenta y
uniformemente desde una temperatura (t1) hasta otra (t2), cada centímetro de ella se
dilatará una cantidad de centímetros
α (t1 -t2 )
, si ahora intentamos volver la varilla a
su longitud original haciendo un esfuerzo (S) será:
s=
E
(t1
t2 )
Si una pieza de vidrio se enfría rápidamente en algún medio como puede ser
el agua a temperatura t1, la superficie del vidrio alcanza rápidamente la temperatura t1,
mientras que su interior está todavía a t2 y el esfuerzo de tracción puede alcanzar en la
superficie el valor completo de S. Si el artículo de vidrio es delgado la contracción de la
superficie comprime al interior caliente permaneciendo todo lo demás igual y S será
menor, por lo que para causar la rotura (t2-t1) tendrán que ser mayores.
Propiedades Físicas del vidrio
Densidad
La densidad se define como la masa de la unidad de volumen a una temperatura
determinada; se considera con frecuencia como sinónimo del peso específico y aunque
en realidad no sean lo mismo no resultan graves perjuicios al admitir ambos conceptos
como equivalentes.
Sosman dedujo que el valor más probable de la densidad de la sílice a 0°C es
de 2,203, es interesante notar que los vidrios más ligeros tienen menor densidad que la
de la sílice vítrea. La adición de BaO y sobre todo de PbO produce un gran efecto en la
densidad incrementándola.
De las mediciones de la densidad se deduce que otras propiedades como el
índice de refracción, el coeficiente de dilatación y el módulo de elasticidad son cierto
modo dependiente de los aditivos.
De acuerdo con la teoría aditiva, cada óxido tiene un efecto definido sobre cada
propiedad física, efecto que se expresa dando a cada óxido un factor constante, si se
multiplica el tanto por ciento de cada óxido por su factor propio, la suma de estos
productos representará el valor de la propiedad física correspondiente al vidrio.
Coeficiente de dilatación
La mayoría de las sustancias se dilatan cuando se calientan y se contraen al
enfriarse, el vidrio no es una excepción. El coeficiente de dilatación lineal se define
como el incremento que experimenta la unidad de longitud al aumentar su temperatura
en un grado centígrado.
Una varilla de longitud (L1) a temperatura (t1), se alargará hasta una longitud
(L2) cuando la temperatura alcance el valor (t2). El coeficiente de dilatación lineal sobre
la zona de temperatura t1 a t2 será:
=
(L 2
L1)
L1
1
(t2
t1 )
=
1
L
L1
t
El coeficiente de dilatación lineal tiene importancia por muchas razones:

Cuando se necesita buena resistencia térmica, el coeficiente de dilatación debe ser
pequeño.

Cuando haya que pegar dos vidrios diferentes, es conveniente que los vidrios
tengan coeficientes de dilatación parecidos.

Cuando el vidrio debe pegarse a un metal ó a un cerámico deben tener coeficientes
de dilatación similar

La medición sistemática del coeficiente de dilatación es importante para comprobar
la composición del vidrio, ya que la dilatación varía con los cambios de
composición.
Se ha demostrado que el coeficiente de dilatación del vidrio es casi constante
hasta la temperatura de recocido (400 – 600 ° C) cuando llega hasta este valor la
dilatación sube rápidamente, la temperatura a la cual se verifica este cambio repentino se
denomina punto de transformación (Tg).
El vidrio que es enfriado con rapidez, como el templado tiene un mayor valor
de dilatación hasta cierta temperatura límite, con respecto al vidrio recocido de la
misma composición.
La sílice tiene un gran poder atenuante de la dilatación, el óxido de boro en
cantidades superiores al 15% es aún más potente. Por otra parte los álcalis (NaO y K2O)
incrementan en gran medida la dilatación, en consecuencia los vidrios de poca dilatación
son ricos en sílice y pobres en álcalis, llevando por lo general óxido bórico.
Calor específico y conductibilidad térmica
El calor específico se define corrientemente como la cantidad de calor
(calorías) que se necesitan para aumentar la temperatura de un gramo de sustancia en
un grado centígrado. El agua con valor uno (1) se toma como módulo.
La mayoría de las sustancias se calientan antes que el agua y por lo tanto
tienen un calor específico menor que uno. También se lo puede expresar en unidades
inglesas British Thermal Unit (BTU) es la cantidad de calor necesaria para aumentar la
temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit (1 BTU = 252 calorías).
Las sustancias transmiten el calor por conducción en proporciones muy
diferentes, la conductibilidad térmica (K) es la forma de medirlo, siendo el vidrio un mal
conductor de calor.
Viscosidad
La viscosidad del vidrio a 500°C puede ser un billón de veces mayor que a
1300°C, aun en la zona de reblandecimiento en donde la velocidad de cambio es
mucho menor, la viscosidad aumenta al triple por cada 100°C de descenso de
temperatura. Este cambio tan considerable, más aun el hecho que a elevadas
temperaturas las mezclas de sílice y otros óxidos son todavía líquidos muy viscosos
ayudan a hacer posible el estado vítreo del vidrio.
La viscosidad es de gran importancia en todas las fases del proceso de
fabricación, el tiempo de fusión viene condicionado por la velocidad a la cual pueden
desprenderse las burbujas de gas que se producen en las reacciones químicas. Una
burbuja de gas puede desprenderse tres veces más deprisa a 1500°C que a 1400°C
porque la viscosidad es mucho menor.
A un vidrio que conserva la adecuada viscosidad para el trabajo en una
amplia zona de temperaturas se lo denomina dulce ó de buena naturaleza.
La unidad de viscosidad es el poise, que se define como la fuerza en
dinas necesaria para mantener dos planos de un centímetro cuadrado separados un
centímetro a velocidad relativa de un centímetro por segundo, cuando el espacio entre
ambos planos está ocupado por la sustancia viscosa. La viscosidad por lo tanto puede
definirse como la fricción interna debida a la cohesión entre las moléculas de un
líquido. La fluidez es la inversa de la viscosidad.
Propiedades Eléctricas
Los vidrios que se utilizan para aplicaciones eléctricas, tienen resistividad
volumétrica y superficial, poca pérdida de potencia y gran resistencia dieléctrica.
La conductividad eléctrica depende de la composición, de la temperatura y
de sus efectos en la conductividad superficial.
Una resistividad de volumen se define como la resistencia longitudinal de una
barra uniforme con sección transversal, la conductividad de volumen es el valor
reciproco de la resistividad.
La resistividad superficial se define como la resistencia en ohms de una
faja de la superficie de longitud y ancho unidad.
Resistividad superficial
La conductividad eléctrica del vidrio se debe a una película de humedad
condensada en su superficie, en los vidrios ópticos ó de buena calidad puede quitarse
esta película con una atmósfera seca, mientras que en los vidrios de baja calidad solo
se quita por calentamiento, también se ha comprobado que el incremento de álcali se
refleja en un decrecimiento de la resistencia superficial.
Esta película es una solución acuosa alcalina cuyas propiedades pueden
variar ampliamente, con elevada humedad ó con vidrios ricos en álcali la conductividad
superficial puede exceder a la resistividad de volumen, mientras que en vidrios pobres
en álcali es completamente despreciable.
Resistividad de volumen
La resistividad de volumen del vidrio depende en gran manera de la
composición y de la temperatura. A todas las temperaturas los vidrios son conductores
electrolíticos
Y se atribuye la conducción al ión sodio, esto es en gran parte probable pero no
correcto en absoluto.
La resistividad de volumen de la sílice fundida es 5x10 a la 18 Ω por
centímetro a 22°C. La resistencia eléctrica del vidrio depende del grado de recocido, a
temperaturas inferiores al punto de recocido, se requiere
más tiempo para las
propiedades físicas del vidrio a su valor final y este tiempo depende de la viscosidad
del mismo.
Desde el punto de vista eléctrico, este efecto se muestra como un retraso en la
variación de la resistencia, no cambia inmediatamente con la temperatura, sino que el
cambio queda retrasado.
Electrolisis
La electrolisis es la función del transporte de los iones en la masa del vidrio, y
en relación directa con la maleabilidad del vidrio, es decir su viscosidad. Este
transporte es prácticamente nulo a temperatura ordinaria, no hay electrolisis ni
conductibilidad. Cuando la temperatura se eleva, la viscosidad disminuye rápidamente
y el desplazamiento de los iones se puede efectuar, el vidrio seria menos aislante a alta
temperatura.
A partir del punto de ablandamiento del vidrio, por encima de los 500°C. los
fenómenos de electrolisis son muy sensibles.
Conductibilidad superficial
Es debida a la condensación de la humedad atmosférica sobre las paredes frías
del vidrio y a la disolución superficial de los álcalis en esta humedad. Se produce así
una solución alcalina capaz de conducir la corriente eléctrica.
Constante dieléctrica
Los vidrios son los únicos dieléctricos sólidos que poseen constantes
dieléctricas variables. Cuando se desea la capacidad máxima de un condensador de
tamaño dado, se necesita una gran constante dieléctrica.
Cuando se requieren condensadores de alta tensión
y alta frecuencia, la
constante dieléctrica y el factor de potencia deben ser bajos.
En la mayoría de los vidrios, la constante dieléctrica (K) decrece solo
ligeramente al aumentar la frecuencia, al disminuir la temperatura aumenta el valor de
K.
En los vidrios el valor de constante dieléctrica (K) y factor de potencia (σ) son
hasta cierta extensión alterables por cambios en la composición. Dos clases de vidrio
son los ventajosos

K grande y σ pequeño.

K y σ pequeños.
Los resultados de la variación del factor de potencia con la frecuencia
presentan anomalías, sin embargo parece ser que en muchos vidrios, el factor de
potencia decrece con el aumento de la frecuencia y aumenta rápidamente cuando se
eleva la temperatura, provoca el calentamiento del dieléctrico y posterior perforación.
Resistencia dieléctrica
La perforación ó ruptura dieléctrica del vidrio es un fenómeno complicado, de
los numerosos factores que influyen en la ruptura dieléctrica de un aislante sólido,
citamos siete que son los más importantes:
1. Las características inherentes al material dieléctrico.
2. El espesor de la sección sometida a la tensión.
3. La duración de la tensión.
4. La temperatura
5. Los efectos de los bordes ó grado de uniformidad del campo electrostático.
6. La influencia del medio circundante.
7. Las características del voltaje aplicado.