La fuerza mecánica del vidrio: un misterio continuo

Características materiales extraordinarias que incluso en el siglo XXI no pueden predecirse por completo

Cuando se trata de la definición de resistencia mecánica, los materiales frágiles como el vidrio tienen una posición excepcional entre todas las clases de materiales. Las consideraciones teóricas, que se basan únicamente en las características del material de los compuestos de vidrio, concluyen que el vidrio es mucho más estable que los metales comunes. Sin embargo, cuando pensamos en nuestras propias experiencias de vida cotidiana, esperamos que sea al revés. ¿Por qué la diferencia?

En general, la resistencia mecánica define cuánta fuerza por área se puede aplicar a un material hasta que se produce la rotura. Para el vidrio, no es una característica material bien predecible que dependa estrictamente de las fuerzas intermoleculares que mantienen los compuestos de vidrio juntos, sino que tiene una cierta naturaleza estadística. Su magnitud y su varianza estadística es principalmente una función de la calidad de la superficie del vidrio.
Durante todo el ciclo de producción de vidrio, los defectos no pueden evitarse por completo. Cualquier tipo de post-procesamiento o manejo puede tener una gran influencia en la calidad del vidrio. Cuanto mayor sea la cantidad de defectos o mayor será el tamaño de los defectos, peor 
la calidad de la superficie del vidrio y, por lo tanto, una mayor probabilidad de rotura del vidrio bajo la fuerza mecánica aplicada. Lo que lo hace aún más complejo, la temperatura y la forma de los productos, puede tener un impacto en la resistencia mecánica del vidrio también. Bajo temperaturas elevadas, cerca de la temperatura de transición vítrea, el vidrio se vuelve menos rígido y, por lo tanto, puede soportar una menor tensión mecánica. En términos de forma, un tubo de vidrio previamente dañado y de mala calidad superficial puede ser un buen ejemplo.
La Figura 1 muestra la energía de rotura de segmentos idénticos cortados del mismo tubo de vidrio. Se midió de acuerdo con DIN 52295 y puede servir como un indicador de la estabilidad mecánica del vidrio. Su magnitud está determinada por la calidad de la superficie de los segmentos individuales. Teniendo en cuenta un tubo de vidrio completo, con el mismo perfil de energía de rotura, lo más probable es que se rompa bajo la fuerza mecánica aplicada a 45 cm, 57 cm o 63 cm. En general, cuanto más largo o más grande es el tubo de vidrio, mayor es la probabilidad de defectos dentro del material. En consecuencia, cuanto mayor es la probabilidad de rotura. Dado que la rotura siempre ocurrirá en el punto más débil de un producto, incluso las regiones de alta resistencia mecánica no pueden evitar que el producto se rompa en su punto más débil. 

Eventualmente, el vidrio tiene la característica extraordinaria de fatiga estadística. Bajo la fuerza aplicada constante en combinación con un cierto nivel de humedad, puede suceder que el vidrio no se rompa inmediatamente, sino que se rompe después de un cierto período. Esto se debe a que las reacciones químicas en la superficie del vidrio aumentan el crecimiento de grietas, lo que finalmente conduce a macrogrietas y roturas.
Figura 1: Desviación en la estabilidad mecánica en función de la longitud de un tubo de vidrio previamente dañado. La tubería se cortó en pedazos, mientras que la energía de rotura de cada pieza se midió de acuerdo con. según DIN 52295. Lo más probable, bajo la fuerza mecánica aplicada, la rotura del tubo de vidrio largo habría ocurrido en el punto más débil, que se encuentra a 45 cm, 57 cm o 63 cm.
En resumen, considerando la fabricación de un producto de vidrio a lo largo de toda la cadena de valor, el vidrio está expuesto a una gran variedad de diferentes condiciones ambientales. Por lo tanto, cada producto de vidrio debe considerarse como un individuo, incluso cuando se fabrica a través de la producción en masa. Las ecuaciones teóricas en combinación con estudios empíricos pueden ayudar a estimar la resistencia mecánica del vidrio, pero su fuerza mecánica exacta nunca puede predecirse por completo. 

Por lo tanto, una de las cosas más importantes es mantener el ciclo de producción estable y evitar tantos defectos como sea posible tratando el vidrio de la manera correcta. Solo la producción de vidrio de alta calidad dará como resultado productos de vidrio de alta calidad. Con una experiencia de más de 130 años, SCHOTT puede cumplir con los altos requisitos de la producción de vidrio premium de hoy en día. Los tubos largos, con alta calidad, no son un mito sino el estándar SCHOTT.
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