Metodi di rinforzo del vetro

Transcript

1 Metodi di rinforzo del vetro 1

2 Il vetro dal punto di vista meccanico Fragile Facilmente danneggiabile in superficie (H! 5 GPa, K C = 0.75 MPa m 0.5 ) Limitatamente resistente (! f! 100 MPa) Si rompe senza preavviso Mostra evidenti fenomeni di fatica I valori di resistenza sono molto dispersi (±30%) I bordi delle superfici di frattura sono taglienti Processi di rinforzo e vetri di sicurezza Dal punto di vista meccanico il vetro presenta numerosi limiti. Il tutto può essere racchiuso nella limitata tenacità a frattura (causa della fragilità, della danneggiabilità, della bassa resistenza, della limitata affidabilità) e nella suscettività alla fatica. Per questo sono stati proposti numerosi metodi di rinforzo. 2

3 Vetri compositi Vetri laminati - stratificati! Vetro /vetro! Vetro /PC (policarbonato) e/o /PVB (polivinilbutirrale) o /PVA (polivinilacetato) Vetri armati - retinati Una lastra di vetro può essere accoppiata con altre lastre in vetro o di altri materiali per produrre strutture composite. 3

4 Vetri laminati Requisiti che devono possedere i due vetri: - simile viscosità (" c! " b ) - simile composizione - diverso " " c < " b "# T (T max = strain point) " c = A b E c E b #$ T A b E b (1% & c )+ A c E c (1% & b ) < 0 compressione (! c ) trazione Profilo degli sforzi residui Applicazioni: - stoviglieria - substrati per resistori Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000 I vetri laminati sono prodotti accoppiando vetri: 1) Con simile composizione (stesso intervallo di lavorazione); 2) Con simile viscosità; 3) Con differente coefficiente di espansione termica. Se il coefficiente di espansione termica del vetro posto all esterno è inferiore rispetto a quello del materiale presente all interno, il raffreddamento che segue la formatura causa la nascita di sforzi di compressione nello strato esterno che rinforzano il componente. In pratica, il materiale viene pre-compresso sulla superficie. 4

5 Vetri stratificati vetro PC - policarbonato che aumenta la tenacità PVB polivinilbutirrale o PVA - polivinilacetato che trattiene le schegge I vetri stratificati sono prodotti accoppiando lastre di vetro con fogli o lastre di materiale plastico. Si usano in genere fogli di PVB e lastre di PC. Il policarbonato (PC) assorbe energia meccanica aumentando la tenacità globale del manufatto. Possiede però indice di rifrazione inferiore al vetro e quindi può dare problemi di visione. Il polivinilbutirrale (PVB) trattiene le schegge al momento della rottura. Il PVB è un polimero gommoso, trasparente e con indice di rifrazione simile a quello del vetro sodico-calcico e pertanto non provoca distorsione dell immagine. 5

6 vetro T, -p adesivo PVB / PC Applicazioni: - autoveicoli - vetri blindati antisfondamento Il processo produttivo prevede l accoppiamento delle lastre e dei fogli polimerici a freddo (eventualmente utilizzando adesivi poliuretanici) e un trattamento sotto vuoto a temperature prossime a quelle di rammollimento del materiale plastico per favorire l adesione. 6

7 Vetri armati - retinati rete metallica che trattiene le schegge rete fuso Manuale tecnico del vetro, Saint Gobain Italia, 1997 I vetri armati o retinati sono prodotti introducendo una rete metallica (acciaio inox) nella lastra di vetro durante la produzione. 7

8 Processi di tempra Ottengo uno sforzo residuo di compressione in superficie Tempra termica (fisica) raffreddamento veloce Tempra chimica modifica della composizione chimica superficiale a. diverso coefficiente di espansione termica b. ioni più grossi al posto di ioni più piccoli I processi di tempra sono condotti sul manufatto finito per generare sforzi residui di compressione in superficie. Vengono sfruttate allo scopo diverse metodologie. 8

9 Tempra termica 1 2 Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000 La tempra termica (o fisica) si basa sul rapido raffreddamento del componente (in genere in forma di lastra) una volta portato a temperature superiori alla T g. Fase 1: Riscaldando la lastra si crea un #T superficie-cuore che non crea alcun problema (superficie in trazione). Fase 2: Raffreddando velocemente la lastra (per esempio con getti di aria compressa) su entrambi i lati creo un #T inverso superficie-cuore. Questo rapido raffreddamento che genera un gradiente di temperatura tra cuore e superficie provoca un ritiro differenziale che è causa dell insorgenza degli sforzi residui. 9

10 Schema di impianto industriale aria calda aria compressa T = C #V Lastre piane o poco curve In un tipico impianto industriale la lastra, trasportata su rulli rivestiti di materiale refrattario fibroso, entra in una prima camera dove subisce un riscaldamento mediante aria calda o resistenze elettriche. Una volta raggiunta la temperatura desiderata la lastra è immediatamente portata in una seconda camera dove subisce un rapido raffreddamento mediante getti di aria compressa. In questo modo possono essere trattate lastre piane o poco curve. 10

11 Genesi dello sforzo residuo vetro sodico-calcico Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000 Viene qui presa in esame la genesi degli sforzi residui in un vetro sodicocalcico. Si assume che al di sotto dello strain point eventuali sforzi non vengano rimossi dal rilassamento del vetro. I tempi sono indicativi e dipendono evidentemente dalla velocità di raffreddamento. La temperatura di partenza è attorno ai C. Al tempo t=0 la temperatura è uniforme e non vi è nessun gradiente di sforzo. Al tempo t=1.5 s il raffreddamento causa un gradiente di temperatura accompagnato da un profilo di deformazione e quindi di sforzo. Tuttavia tutti gli sforzi sono immediatamente rimossi essendo la temperatura superiore allo strain point. Dopo 5 s la temperatura della superficie scende sotto lo strain point. Gli sforzi che si generano sono però ancora rimossi dal rilassamento del cuore. Dopo 12 s anche la temperatura del cuore scende sotto lo strain point. Gli sforzi non sono più rilassati. La contrazione del cuore genera uno stato di compressione in superficie bilanciata da uno stato di trazione nel cuore. L effetto si amplifica una volta raggiunta la temperatura ambiente. 11

12 Rilassamento degli sforzi $/$ 0 Strain point (# = Pa s)! res! 0 in!1 h Annealing point (# = Pa s)! res! 0 in!1 min Softening point (# = Pa s)! res! 0 in!1 s T! 700 C Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000 Il diagramma evidenzia il modulo di rilassamento ($/$ 0 ) in funzione del tempo e della temperatura per un vetro sodico-calcico. A che temperatura devo riscaldare il vetro prima di raffreddarlo? 1) Per T troppo basse (600 C)% troppo vicino allo strain point % raffreddando velocemente si rompe per shock termico ( limite sopportabile circa 30MPa). 2) Per T troppo alte (660 C) % l oggetto si rilassa sotto il proprio peso, perdendo la propria forma geometrica. 12

13 Condizioni di tempra Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000 A seconda dello spessore della lastra e del coefficiente di scambio termico superficiale è possibile calcolare lo sforzo di trazione massimo in superficie durante il transiente in raffreddamento una volta definita la temperatura di partenza. Per temperature di partenza troppo elevate (caso 3) la tempra è possibile (vengono generati sforzi di trazione nel cuore - mid plane - e di compressione in superficie); tuttavia la lastra risulta distorta. Per temperature troppo basse (caso 1) l effetto è quello dello shock termico: gli sforzi di trazione in superficie non sono rilassati dal cuore. E quindi definibile una linea operativa ideale e quindi, per ogni spessore, una temperatura di partenza o di tempra. Il diagramma evidenzia la difficoltà nel temprare lastre con spessore inferiore ai 3 mm. 13

14 Sforzo residuo MPa 32 s s/5 Midplanel Tension (MPa) compressione trazione 8 0 Glass: science and technology, Vol. 5, D.R. Uhlmann and N.J. Kreidl, Academis Press, New York, 1980 Lo stato di sforzo dipende quindi dal coefficiente di scambio termico, dalla temperatura di tempra e dallo spessore del vetro. Lo stesso vale per il rapporto tra sforzo al cuore e sforzo sulla superficie. Lo strato superficiale in compressione ha in genere uno spessore attorno al 20% di quello dell intera lastra. 14

15 Frattura del vetro temprato! tempra +! f carico esterno (momento flettente) =! f più elevato ( MPa)! f più disperso La presenza di uno sforzo di compressione superficiale aumenta la resistenza media (dai 200 ai 500 MPa) del vetro in quanto per raggiungere la rottura va prima riportato a zero lo sforzo residuo agente sui difetti superficiali. In realtà, i difetti più grandi (e profondi), associati a resistenze inferiori, sono meno schermati di quelli piccoli. Per questo la tempra causa in genere un aumento della dispersione della resistenza. Uno dei vantaggi della tempra fisica è che (in fase di rottura) si ha frammentazione del provino in pezzi molto piccoli. 15

16 Frammentazione sistema di Griffith energia coinvolta nella frattura U = U M +U S +U K 2c sistema chiuso! du dc = 0 R 0 = du S dc G = " du M dc sforzi residui G " R 0 = du K dc Considerando un vetro temprato dal punto di vista del modello di Griffith, la presenza di uno stato di trazione nel cuore determina un contributo superiore alla crack driving force nel momento in cui inizia la propagazione della frattura. In pratica c è la necessità di scaricare l eccesso di energia congelato nel cuore e questo comporta un elevatissima frammentazione del manufatto al momento della rottura. 16

17 Velocità della cricca velocità terminale (" v s ) lunghezza relativa del difetto (" c 02 /sezione) biforcazione (U S ), dissipazione di U M Fracture of brittle solid 2nd ed., B. R. Lawn, Cambridge Univ. Press, 1993 Facendo riferimento al modello di Inglis è possibile calcolare l energia cinetica in funzione della lunghezza iniziale del difetto. Si può anche calcolare l andamento della velocità del difetto. Questa assume sempre valori finiti e inferiori alla velocità limite, pari a una frazione della velocità del suono. Per questo l eccesso di energia può essere dissipato solo attraverso biforcazioni successive. 17