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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.