UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERALABORATORIO DE RESISTENCIA DE MATERIALES

Departamento de Ingeniera de Materiales

Estudio del vidrio Normal, con tratamiento Qumico y Flameado

I.- OBJETIVOS

1. Obtener el valor de la dureza Vickers de un vidrio comercial2. Obtener el valor de la dureza Vickers de un vidrio comercial atacado con nitrato de potasio3. Reducir las lneas practicados en el vidrio por el mtodo de Flameado

II.- MARCO TEORICO

El vidrio es un material con una estructura amorfa, que permite el paso de la luz, sin embargo es tambin un material bastante frgil.Es una mezcla compleja de silicatos; un silicato alcalino y el silicato de una o ms bases (calcio o plomo). Esto en lo que se refiere a la mayor parte de los vidrios comerciales; mientras que en vidrios especiales se han reemplazado los lcalis por boratos, fosfatos y aluminatos y el plomo y calcio por otros metales: bario, magnesio, cinc, etc.

Propiedades:

Es una masa amorfa transparente. Se caracteriza porque carece de punto de fusin determinado y desde su estado lquido se vuelve cada vez ms pastoso a medida que se enfra y el estado slido lo adquiere a gran diferencia de temperatura y sin cesar de mantenerse amorfo. Esto se debe a la viscosidad del vidrio que aumenta rpidamente con el descenso de temperatura e impide que las molculas tomen la forma cristalina. La viscosidad, propiedad tan importante del vidrio, permite elaborar productos soplados, pero trae dificultades en la elaboracin, al oponerse al desprendimiento de burbujas gaseosas retenidas durante la fusin y exige una fluidificacin final alrededor de 1400 C., Adems, si se enfra muy rpidamente, se desarrollan en el vidrio tensiones inertes (de temple) que lo hacen frgil. Desde que vitrificacin se refiere a la fusin incipiente de unas mezclas de slidos granulados, desvitrificacin se refiere a la formacin de cristales de un material en el estado vidrioso. Los silicatos individuales difieren grandemente en la prontitud con que ellos se desvitrifican, o sea, que pasan de un estado vidrioso al cristalino. El metasilicanato de sodio puro (Na2O. SiO2) cristaliza muy rpidamente. Los vidrios comerciales soda-cal-slice (Na2O . 3CaO. 6SiO2) se pueden enfriar y no cristalizan el vidrio industrial es esencialmente una solucin compleja de compuestos y es como cualquier otra mezcla de sales fundidas donde existe un equilibrio definido. Ella difiere solamente en que cuando el vidrio fundido se enfra, se hace continuamente ms viscoso que las molculas se mueven ms o menos lentamente. El tiempo necesario para alcanzar el equilibrio qumico llega a ser aumentado grandemente a bajas temperaturas. Debido a esta propiedad, los vidrios no tienen punto de fusin definido. Esta propiedad hace posible trabajar el vidrio a la llama y tambin trabajarlo para industrializarlo. El vidrio es mal conductor del calor de la electricidad. Un buen vidrio debe resistir a la accin de los agentes atmosfricos, agua, CO2, cidos y lcalis diluidos. Resistencia qumica: El vidrio resiste el ataque de la mayora de los agentes qumicos, excepto el cido hidrofluordrico y, a alta temperatura , el fosfrico. Los lcalis atacan la superficie del vidrio. Cuando se emplean marcos de concreto , los lcalis liberados del cemento, durante una lluvia, pueden opacar la superficie del vidrio.La presencia de humedad entre dos hojas de vidrio estibadas durante un tiempo puede producir el "impresionado" (manchas blanquecinas) de sus superficies que, son muy difciles de remover. Resistencia mecnica:El vidrio siempre rompe por tensiones de traccin en su superficie. Resistencia a la traccin.-Vara segn la duracin de la carga y oscila entre 300 y 700 K/cm2.Para cargas permanentes, la resistencia a la traccin del vidrio disminuye en un 40%.

Microdureza.

La mayor o menor resistencia mecnica de un material se, manifiesta por su dureza, cualidad que puede definirse como la resistencia que opone un cuerpo a ser penetrado por otro. Esta caracterstica reviste especial inters prctico en los procesos de corte, tallado y pulido del vidrio y de ella depende la vulnerabilidad y, por lo tanto, el estado de conservacin de su superficie.

Desde el punto de vista fsico, la dureza del vidrio proporciona una apreciable informacin acerca del grado de rigidez estructural. Debido a que la medida de esta magnitud se efecta normalmente en varios puntos y sobre zonas muy reducidas de la superficie, presenta la ventaja de no resultar afectada ni por el estado de la superficie ni por sus microdefectos, los cuales suelen desvirtuar los valores de la resistencia mecnica obtenidos por otros procedimientos que, en realidad, en vez de medir la resistencia intrnseca del vidrio, miden la de sus ponlos ms dbiles.

En los mtodos estticos se acostumbra a utilizar dos tipos diferentes de puntas piramidales, denominadas de Vickers y de Knoop, de secciones cuadrada y romboidal respectivamente (Figura 10.3.1). En los dos casos el valor de la microdureza se obtiene en funcin de la carga aplicada P, de la diagonal L de la huella producida y de una constante que depende de los ngulos de la pirmide.

La microdurezaVickers viene dada por la expresin:

Como en la pirmide Vickers el ngulo formado por sus caras vale 22, la expresin anterior puede escribirse:

Anlogamente la microdurezaKnoop se obtiene a partir de:

En este caso L representa la longitud de la diagonal ms larga, el ngulo formado por las aristas longitudinales, y el de las aristas transversales, que valen = 172 30' y = 130. Por lo tanto, la expresin anterior queda reducida a:

En ambas frmulas la microdureza se mide en , cuando P se expresa en pondios y las diagonales en m

Ilustracin de: Impresin de una punta de diamante Vickers a 25 m sobre una superficie de vidrio, y microfisuras producidas como consecuencia de la indentacin.

Al cesar la aplicacin de la carga, el vidrio experimenta una parcial recuperacin elstica que vara inversamente con la magnitud de la carga aplicada. Cuanto mayor es la carga, menor es la recuperacin. Por lo tanto, para cargas pequeas se obtienen valores aparentes de microdureza superiores a los que resultan de las frmulas anteriores cuando se emplean cargas ms elevadas. Para corregir este efecto debe introducirse un trmino de correccin k, caracterstico de cada vidrio, que se calcula midiendo las huellas L1 y L2 obtenidas para dos cargas diferentes P1 y P2 teniendo en cuenta la relacin de proporcionalidad:

1. La unidad bsica estructural de los vidrios de silicato.

Los silicatos son materiales compuestos principalmente por silicio y oxgeno, los dos elementos msabundantes en la corteza terrestre. En lugar de caracterizar las estructuras cristalinas de estos materiales entrminos de celdillas unidad, es ms conveniente utilizar varias combinaciones de tetraedros de SiO44- (ver ilustracin). Cada tomo de silicio est unido a cuatro tomos de oxgeno, los cuales estn situados en losvrtices del tetraedro. El tomo de silicio est colocado en el centro. Puesto que esta es la unidad bsica de lossilicatos, frecuentemente se considera una entidad cargada negativamente (- 4).

Para aplicaciones tcnicas se emplean casi exclusivamente los silicatos dobles alcalino-calcicos y alcalino-plmbico; que al solidificarse son transparentes, y dentro de estos vidrios el ms usado es el calcico-sodico. La razn de que la mayor parte del vidrio sea de soda y cal, es por el bajo valor de la materia prima.Tipos de vidrios:Las principales variedades de vidrio son las siguientes:

1. Vidrios Sodicos (Silicato de sodio y calcio). Es el vidrio ordinario que se emplea para elaborar vidrios planos, botellas, frascos y otros objetos varios. Tienen casi siempre un ligero color verde debido al hierro de las materias primas. Resisten a la accin disolvente del agua y los cidos, tienen poco brillo. Las composiciones extremas de estos vidrios son las siguientes:1. Vidrios Potasicos. (Silicato de potasio y calcio). Se reemplaza, en el vidrio anterior, el sodio por el potasio. Son ms duros que los anteriores, muy brillantes, resisten mejor las variaciones de temperatura y son muy resistentes a la accin del agua y de los cidos. Ejemplos; son los vidrios de Bohemia, vidrios de ptica (crown), etc:

1. Vidrios Plmbicos. (Silicato de potasio y plomo). En este vidrio se ha reemplazado del anterior el calcio por el plomo. Tienen peso especifico elevado y poseen notable esplendor, son muy transparentes, sonoros y refractan muy bien la luz. Dentro de estos vidrios se encuentra el cristal, el flint-glass empleado en ptica y el strass que sirve para elaborar piedras preciosas artificiales. La composicin de algunos de estos vidrios es la siguiente:

SiO2K2OPbO

Cristal.53%11 %335 %

Flint .20 54 %0 12 %80 34 %

Strass .40 %7 %52 %

1. Vidrios Dricos. Son vidrios en los que se ha reemplazado partes de sus componentes por anhdrido brico, dando vidrios duros, resistentes al calor, para laboratorios por su bajo coeficiente de dilatacin y debido a su bajo contenido en metales alcalinos y alcalino-trreos.

Vidrios clsicos de este tipo son Prex y Jena.

Composicin de los vidrios Jena y PrexSiOH2O2Na2OAl2O2As2O4K2OMgOCaOFe2O3ZnO

Prex ... 80, 6211, 903, 832,000,660,610,200,220,12---

Jena ...64,5810,037,386,26------0,120,080,1011,78

1. Vidrios de Cuarzo. Son vidrios obtenidos fundiendo slice o cuarzo pursimo (99,5 % de SiO2) generalmente en hornos elctricos de resistencia a unos 1800 C.

2. Vidrios Varios. Tenindoos vidrios aluminosos, vidrios barticos, vidrios de cinc, etc.

III.- EQUIPOS, MATERIALES E INSTRUMENTOS

Equipos. Mquina de dureza, marca Indentec.

Materiales

Probetas de lmina de vidrio transparente 4 x 4 cm y de 8mm de espesor translucido.

500 grs de Nitrato de potasio.

Instrumentos

Identadorpirmide de diamante, con un ngulo base de 136.

Tapaboca para la manipulacin del Nitrato de potasio.

Par de guantes quirrgicos para manipulacin del Nitrato de Potasio.

IV.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Probeta 1:

Con la probeta mediremos su dureza para tener un valor de referencia acerca de dureza de un vidrio al cual no se le ha sometido ningn tipo de tratamiento trmico ni qumico.

Seleccionar la carga a emplear en el equipo durmetro Vickers. Colocar adecuadamente la muestra a ensayar sobre la plataforma del equipo.

Elegir y marcar los puntos de indentacin.

Tomar la medida de las dimensiones de la huella del indentadorvickers (carga de 3 kg-f). Medir y registrar las diagonales de la huella con ayuda del ocular micromtrico, es decir: medir 2a1 y 2a2 que corresponden a las dos diagonales producidas y sacar el promedio para obtener 2a.

Medir y registrar la longitud de fisuras resultantes causadas por el indentador, es decir medir 2c1 y 2c2 que corresponden a las dos direcciones de las fisuras y sacar el promedio para obtener el valor de 2c.

Probeta 2:La probeta ser sometida a un tratamiento qumico con nitrato de potasio. Ubicar las probetas dentro de la caja de cementacin cubrirlas con el Nitrato de potasio.

Calentar hasta los 400 C

Mantener la temperatura por dos horas. Realizar la medicin de la dureza y de la resiliencia a la fractura despus del tratamiento qumico de la superficie del vidrio.

Probeta N3:La probeta ser sometida a flameado para poder eliminar las rayas producidas en la superficie del vidrio (ya que una sus propiedades es la viscosidad) del modo siguiente:Primer experimento: Se tomara una pinzas (Tenazas), con la cual se sujetara el vidrio que se someter al calor (Aplicacin de fuego directo por el gas propano) El calor a aplicar en la superficie del vidrio debe ser aplicado de modo uniforme en toda la superficie del vidrio, adems se debe tener en cuenta que el calor a aplicar no debe llegar a la temperatura de fusin. Se conectara el soplete al gas propano y se aplicara el fuego en la probeta a experimentar.Segundo experimento: En un contenedor o depsito se colocara arena fina, luego se esparcir la arena de tal modo de obtener una superficie inclinada. Se colocara la cantidad de probetas necesarias (las que entren en el deposito) Se colocara un metal de hierro (clavo) entre cada probeta; pero no estar en contacto con esta. La cual cumple la funcin principal de poder controlar la temperatura del calor que estamos aplicando, esto ser segn el color que vaya tomando el clavo segn el calor aplicado. Tercer Experimento: Se construir una especie de horno con una lata (lata de aceite comestible) y aproximadamente 12 barras de hierro corrugado (25cm der largo por pul de dimetro)ver figura.

Las doce barras sern colocadas de forma inclinada formando un ngulo con la base de la lata( 45) Se realizara un orificio en la parte superior de la lata ya que este servir de salida para el fuego aplicado. Se adicionara una pequea capa en la base de arena, y se colocara los vidrios adheridos a hierro en posicin inclinada. La temperatura tambin se controlara por el color que vaya tomando el metal (el hierro corrugado).

V. -RESULTADOS Probeta N1Carga aplicada 5Kgf

N de grupo2a(mm)2c(mm)Identacin de la probeta

2a12a22c12c2

10.13420.13650.51410.51

0.12750.12600.49940.45462

20.12790.13430.48920.48161

0.11740.12180.44020.47342

30.13380.11480.33690.45741

0.13970.13530.47360.49982

40.13030.13440.42480.45341

0.13860.12700.50210.50542

50.14350.14330.56930.58461

0.13100.11710.53140.53232

Tabla N1: datos de dureza de los diferentes vidrios del laboratorio.

Resultados Probeta N2En los resultados obtenidos de esta probeta fue:Despus de haber sido sacadas del horno donde se someti a temperaturas de aproximadamente 400C se observ que el nitrato de potasio recubri al vidrio en una capa muy fina, la cual tambin era fcil de quitar de la superficie del vidrio. Se espera que el nitrato de potasio a esas temperaturas haya reaccionado con las molculas de composicin del vidrio que es el xido de Silicio donde Cada tomo de silicio est unido a cuatro tomos de oxgeno; y el ion que enlaza a cada una de estas molculas viene a ser el ion Sodio Como muestra las figura siguiente.

Se espera que en esta reaccin el Ion potasio del nitrato de potasio haya reemplazado en una parte al ion Sodio, y as el vidrio podra variar en una o varias propiedades (la cual es de aumentar su tenacidad o dureza); eso solo lo sabremos cuando hagamos el ensayo de indentacinvicker practicado en la probeta N1.

KNO3 NaSiO4

NaNO3 KSiO4

Carga Aplicada2a(mm)2c(mm) Indentacin de la probeta

2a12a22c12c2

5Kgf0.140mm 0.14330.46210.73731

Tabla N2: Datos de la indentacin de la probeta sometida a la reaccin qumica con el KNO3

Resultados de la Probeta N3A. ExperimentoN1En los resultados obtenidos de esta probeta sometidos al flameado fue que como estaba en un medio (ambiente) donde no se poda controlar o llevar un control gradual de la temperatura, se produjo por accin de las diferentes temperaturas (del ambiente donde se encontraba) un choque trmico la cual provoco que el vidrio se fisurara. Tambin se observ que la fisura se inici en las lneas ms profundas rayadas sobre la superficie. Tambin se observo que el vidrio se doblo.

B. Experimento N2Los resultados obtenidos fue que las probetas que estaban sobre la cama de arena sometidas al flameado fue que algunas se doblaron, y en otras probetas una que otra lnea (las menos pronunciadas) fueron tenuemente eliminadas.Diseo de este experimento:

C. Experimento N3Los resultados obtenidos en esta probeta fueron bastante mejorables en comparacin con el experimento 1 y 2 puesto que se llevaba un mejor control de temperatura y uniformidad de calor aplicado a las probetas y as no se llegaba a la T de fusin, por ende no se podan doblar las probetas. Como tambin las lneas practicadas sobre las probetas 4 de la ms tenue a la ms profunda (4 lneas en paralelo y 4 lneas perpendiculares a ella), fueron tenuemente rellenadas debido a que en la parte superficial del vidrio se apreci pequeas hendiduras (forma de huella digital). Esto no se debe nada ms que se dio inicio en la probeta a un flujo de viscosidad.Diseo de este experimento:

VI.- DISCUSIN DE RESULTADOS

Probeta N1

Teniendo los valores de las diagonales que dejo la identacin que se realiz en el vidrio, tambin las longitudes de las fisuras que se produjo en la identacin pasamos a calcular la dureza (Hv) y la resiliencia a la fractura (Kic)

Grupo 5(fila amarilla):Para identacin 1:Datos de nuestro grupo:2a1= 0.1435mm P=5Kgf2a2= 0.1433mmProm (2a) =0.1434 mm2c prom= 0.57695 mm

Hv= 1.854*5Kgf/(0.1434 mm)2Hv= 450.797 Kgf/mm2Hv = 450.797 * 9.8MPa/1Kgf = 4417.8 MPa

Kic= 0.15(4417.8 MPa*)*(0.288475*10-3 m/ 0.0717*10-3 m)-1.5Kic= 0.69 MPa*m1/2

Para identacin 2:

2a1= 0.1310 mm P = 5Kgf2a2= 0.1171 mmProm (2a) = 0.12405 mm

Prom (2c) = 0.53185 mm

Hv = 602.40 Kgf/mm2Hv = 602.40*9.8MPa/1Kgf = 5903.5 MPa

Kic = 0.15(5903.5 MPa*)*(0.2659 * 10-3/0.0620 * 10-3)-1.5Kic = 0.785 MPa*m1/2

Probeta N2Vidrio tratado con nitrato de potasio Teniendo los valores de las diagonales que dejo la indentacin que se realiz en el vidrio, tambin las longitudes de las fisuras que se produjo en la indentacin pasamos a calcular la dureza (Hv) y la resiliencia a la fractura (Kic)

Para identacin 1 grupo 1:Datos:2a1= 0.140mm P= 5Kgf2a2= 0.1322mmProm (2a) = 0.1361 mmProm (2c) =0.4497mm

Hv=1.854*P/ (2a) 2Hv= 1.854*5Kgf/ (0.1361 mm) 2Hv=500.45 Kgf/mm2Hv = 500.45*9.8MPa/1Kgf= 4904.41 MPa

Kic=0.15(Hv.).(c/a)Kic= 0.15(4904.41MPa.).(0.22485*10-3m/ 0.06805*10-3m)-1.5Kic= 1.01 MPa.m1/2

Vidrio flambeadoProbeta N3Datos:2a1= 0.1469 mm P= 3Kgf2a2= 0.1354mmProm (2a) = 0.1412 mmProm (2c) =0.5534

Hv=1.854*P/ (2a) 2Hv= 1.854*5Kgf/ (0.1412mm) 2Hv=464.95 Kgf/mm2Hv = 464.95*9.8MPa/1Kgf= 4556.51 MPa

Kic=0.15(Hv.).(c/a)Kic= 0.15(4556.51MPa.).(0.2767*10-3m/ 0.0706*10-3m)-1.5Kic= 0.74 MPa.m1/2

A. Experimento N1Los resultados obtenidos en este experimento no fueron de todo conforme puesto que se no te tena en cuenta que las diferentes temperaturas a las que se encontraba sometida el vidrio despus de quitarle el calor aplicado, estos produjeron un choque trmico, conllevando a que la probeta se fisurara; el punto de inicio de la fisura fue en las lneas ms pronunciadas (profundas). Y la causa principal de que se doblaran las probetas y aportaran el aumento fisuras formadas, fue la presin que ejercan las tensas sobre el vidrio expuesto al calor.

B. Experimento N2Con el fin de mejorar el control de la temperatura y evitar el choque trmico, se realiz el flameado sobre una base de arena, el fin de esto fue que la arena tambin absorbera parte del calor y as evitara que el vidrio se someta a enfriamientos bruscos (las diferentes temperaturas del ambiente)

C. Experimento N3

Al tenerse en cuenta muchos factores que no permitan hacer un anlisis correcto del flameado; se idealiz un pequeo horno construido en base de metal (lata de aceite y hierro de construccin pul) y teniendo en cuenta los puntos de fracaso del experimento 1 y 2 antes mencionados. Pero aun as se encontraban algunas fallas como por ejemplo la aplicacin del calor. Puesto el calor aplicado a las probetas no era muy uniforme.Lo que si se poda apreciar es que la temperatura lo podamos controlar de acuerdo ala coloracin que irradiaba el hierro de construccin (Rojo-rojizoT aproximadamente de 400 a 500C).

VII. - CONCLUSIONES

Concluimos que los resultados obtenidos en la dureza vicker5 los resultados del grupo 1 con respecto al grupo 5(nuestro grupo) varan levemente esto se debe a que el vidrio del grupo 1 es diferente en el tipo de fabricacin que el vidrio del grupo 5. concluimos que el vidrio no presenta zona plstica y esto se verifica con una grfica de VS . Tambin podemos verificar que tiene plasticidad porque al aplicarle la carga presento gritas rpidamente.

Los valores obtenidos de la dureza vickers para la probeta con reaccin del nitrato de potasio tiene un valor de 4904.41 MPa, haciendo referencia que la carga utilizada fue de 3Kgf, en comparacin con los valores obtenidos de la dureza Vicker de las probetas sin Reaccin del nitrato de potasio que es de 4417.8 MPa con una carga de 5Kgf. Podemos concluir que si se logr aumentar la dureza del vidrio en reaccin con el nitrato de potasio. La dureza del vidrio flambeado fue de 4556.51 MPa lo que indica q no vario mucho con relacin al vidrio comercial que tiene una dureza de 4417.8 MPa, tampoco no hay variacin con el vidrio tratado con nitrato de potasio.

En relacin al Kic del vidrio en reaccin como para el que no tiene reaccin de nitrato de potasio siendo de 1.01 MPa.m1/2y 0.69 MPa*m1/2 respectivamente. Se aprecia que ha aument. Esto nos indica que mientras el vidrio mantenga un menor Kic, el grado de su dureza ser menor. Mientras la Kic del vidrio flambeado tiene un valor de 0.74 MPa.m1/2

Analizando las probetas expuestas al flameado, para un mejor resultado de esta, a la temperatura que se debera de llegar es a T*: puesto que se encuentra entre: Tg