Tempra chimica. 1.!strato superficiale con a inferiore!

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1 Tempra chimica 1. strato superficiale con a inferiore - processo di scambio ionico - cristallizzazione superficiale (devetrificazione localizzata) Li + o Cu + Na + nel vetro sodico-calcico T > T g (distorsione, perdita della forma) vetro Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 a 900 C ] b-eucryptite ZnO- Al 2 O 3 -SiO 2 a 800 C ] willemite, albite, keatite

2 2. processo di scambio ionico a T<T g B + B + sale fuso B + raffreddamento A + A + A + A + A + compressione vetro Reazione fondamentale: A vetro +B sale = B vetro + A sale parametri: temperatura tempo concentrazione Glass: science and technology, Vol. 5, D.R. Uhlmann and N.J. Kreidl, Academis Press, New York, 1980

3 Cinetica della tempra chimica Ingegneria del vetro V.M. Sglavo UNITN 2012 A vetro +B sale = B vetro + A sale flusso: A + % dc J A = D A A ' x + c A & F RT φ( * = J B x ) B + x J A = D A D B dc A c A D A + c B D B dx = D dc A dx

4 Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000

5 concentrazione: " x % c = c 0 erfc $ # 2 D t ' aumento di massa: D t M = 2c & 0 π Li + Na + Li + Ag C 350 C 400 C 200 C

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7 Schema del processo industriale oggetti in vetro bagno di sale fuso (KNO 3 ) lavaggio con acqua T = C; t = h Lastre di forma varia

8 Sforzi residui prodotti Ingegneria del vetro V.M. Sglavo UNITN MPa µm compressione trazione Effetti aggiuntivi: rilassamento degli sforzi (T T strain point ) variazione di α Glass: science and technology, Vol. 5, D.R. Uhlmann and N.J. Kreidl, Academis Press, New York, 1980

9 Sistemi più usati vetro Li 2 O-(Al 2 O 3 )-SiO 2 Na 2 O-(Al 2 O 3 )-SiO 2 sale NaNO 3 KNO 3 RbNO 3 KNO 3 differenza di raggio ionico (nm) max sforzo teorico di compressione (MPa) raggio ionico Li Na K Rb 0.07 nm 0.10 nm 0.13 nm 0.15 nm

10 Resistenza meccanica Ingegneria del vetro V.M. Sglavo UNITN 2012 σ compressione MPa nei vetri sodico-calcici max 50 µm vetri alluminosilicati limitata frammentazione Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000

11 Fori e lavorazioni del bordo come nel vetro temprato Ingegneria del vetro V.M. Sglavo UNITN 2012

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13 Applicazioni negli schermi / display

14 Gorilla glass Corning Inc. (USA): vetro litio-alluminosilicato trattato per scambio ionico

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16 Nuove prospettive Problema: elevata resistenza + affidabilità + sicurezza Soluzione: progettazione del profilo di sforzo residuo al fine di promuovere una crescita stabile dei difetti prima della frattura

17 Produzione di σ R Vetro alluminosilicato / sodico-calcico Doppio processo di scambio ionico a. in KNO 500 C per h strato di compressione profondo (K + /Na + ) b. in KNO 3 /NaNO 400 C per 30 min risostituzione Na + /K + sulla superficie

18 Proprietà meccaniche Ingegneria del vetro V.M. Sglavo UNITN 2012 SAS24 σ f = 579 ± 14 MPa 100 SAS120 σ f = 427 ± 24 MPa σ R (MPa) SAS SAS24 (b) x (µm)

19 Rinforzo del vetro tradizionale tempra convenzionale sforzi residui σ f = σ f + σ c sforzo di compressione superficiale resistenza resistenza iniziale trazione compressione

20 Sforzi residui - resistenza + alta resistenza + bassa resistenza

21 Sforzi residui progettati alta resistenza alta resistenza D. J. Green, V.M. Sglavo and R. Tandon "Strengthening, Crack Arrest and multiple cracking in Brittle Materials Using Residual Stresses", U.S. Patent 6,516,634, 2003.

22 Proprietà meccaniche frammentazione insensiblità alla fatica preavviso della frattura

23 flessione in 4-punti (in acqua) 3,0 2,9 Ingegneria del vetro V.M. Sglavo UNITN 2012 log (σf ) [log MPa] 2,8 2,7 2,6 2,5 2,4 in water 2,3 SLS in silicone oil 2,2-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 log (dσ/dt) [log MPa/s] ln ln 1/(1-F) SAS24 σ f deionized water silicone oil (MPa) F (%) ln σ f (ln MPa)

24 indentazione Vickers 1 N 600 SAS120 f (MPa) tipico andamento per il vetro SAS24 5 N P (N) SLS carico indentazione (N)