Sobre lasignificació delo ns ensayos de microdureza del...

Sobre la significación de los ensayos de microdureza del vidrio*

I. ROBREDO M.L. CALVO** G. DUSOLLIER

Institut du Verre, Paris

RESUMEN

Sobre muestras de tres tipos de vidrios: sodocálcico ordinario, borosili-catado y cristal de plomo, se han realizado medidas de microdureza Vickers, aplicando diferentes cargas.

Ha podido confirmarse la influencia del tratamiento térmico previo (re-cocido, templado) sobre la microdureza. Se ha seguido en el microscopio óptico ordinario, en el microscopio interferenciál y en el microscopio electrónico de barrido, la variación de ta forma y dimensiones de las huellas, por efecto del tratamiento térmico. Se observa un comportamiento diferente para cada uno de los tres tipos de vidrio.

Los resultados obtenidos parecen indicar que en la formación de la huella intervienen varios mecanismos: densificación, desplazamiento d& la materia por efecto de un esfuerzo de cizalla, arrancamientos, calentamiento local. La importancia relativa de estos mecanismos está estrechamente re-lacionada con la naturaleza del vidrio.

SUMMARY

Measurements of Vickers microhardness were made, by applying diffe-rent loads on three types of glass: window glass, borosilicate glass and lead crystal.

Prior thermal treatment (annealing, tempering) influence on microhard-ness has been confirmed. The change in the shape and dimensions of the indentations through the thermal treatment were followed in the ordinary optical microscope, the interferencial microscope and the scanning electron microscope. Different behaviour is observed for each of the three types of glass.

The results obtained seem to indicate that in the formation of the in-dentation several mechanism intervene: densification, movement of the mat-ter by the effect of a shearing force, plucking, local heating. The relative importance of these mechanisms is closely related to the nature of glass.

* Comunicación presentada a la IX Reunión Anual de la Sociedad Española de Cerámica, San Sebastián, 5-8 octubre 1969.

** Becario del Gobierno francés (C. R. O. U. S.)-

ENERO-FEBRERO 1970 9

SOBRE LA SIGNIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE MICRODUREZA DEL VIDRIO

RÉSUMÉ

Des mesures de microdureté Vickers ont été réalisées, sous différentes charges, sur des échantillons de trois types de verre: un verre sodocalcique courant, un borosilicate et un verre au plomb.

L'influence du traitement thermique préalable (recuit, trempe) sur la microdureté a été confirmée. On a suivi au microscope optique ordinaire, au microscope optique ordinaire, au microscope interférentiel et au micros-cope électronique à balayage, la variation de la forme et des dimensions des empreintes, sous l'effet d'un traitement thermique. On observe des dif-férences dans le comportement des trois types de verre.

Les résultats obtenus semblent indiquer que dans la formation de l'em-preinte interviennent plusieurs mécanismes: densification, déplacement de matière sous un effort de cisaillement, arrachement, échauffement localisé. L'importance relative de ces différents mécanismes dépend très étroitement de la nature du verre.

I. Introducción

Sin querer entrar en una discusión, siempre arriesgada, del verdadero sen-tido físico de los ensayos de microdureza en el vidrio (especialmente de los ensayos de microdureza Vickers), ni querer intentar una nueva interpretación de los resultados obtenidos, avanzando ciertas hipótesis, parece sin embargo interesante el considerar algunos hechos.

Cuando se considera la cantidad tan impresionante de trabajos publicados sobre la microdureza del vidrio, se siente una cierta inquietud al comprobar la dificultad de estudiar de forma comparativa los diferentes resultados expe-rimentales. En efecto, numerosos son los autores que han omitido ciertas pre-cisiones concernientes al método operatorio. Sin embargo, la inñuencia de ciertos factores, como son la velocidad de aplicación de la carga y la duración del mantenimiento de la carga son a veces decisivos sobre la forma y dimen-siones de las huellas.

Por otra parte, si se considera la definición del factor de microdureza Vic-kers admitida en general, es decir, la relación que existe entre la carga apli-cada P y la superficie de contacto S, se encuentra un valor que se relaciona con la presión media aplicada sobre la muestra, y cuyo sentido físico es difícil de precisar. Ahora bien, es un hecho que las presiones realmente aplicadas difieren considerablemente según que se trate de la punta, las aristas o las caras de la pirámide, siendo la presión máxima la correspondiente a la punta.

La formación de la huella sobre la muestra de vidrio es otro aspecto del problema que ha merecido la atención de numerosos investigadores. El me-canismo según el cual se llega a producir en frío sobre el vidrio una defor-mación permanente, cuya forma se asemeja a la de la pirámide de diamante, no parece estar aún completamente aclarado.

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Se admite de una manera general que, bajo la presión aplicada, la super-ficie de vidrio adquiere la forma de la pirámide de diamante. En el momento de retirar la pirámide, la parte correspondiente a la deformación elástica des-aparece (contracción elástica de la huella), pero queda una huella que es el resultado de una deformación permanente, y el factor de microdureza se calcula midiendo la longitud de las diagonales proyectadas sobre un plano horizontal.

La huella presenta a menudo una concavidad de los bordes que depende en cierto grado de la naturaleza del vidrio y de la carga aplicada, lo que prueba que la contracción elástica no es la misma en todos los puntos. En efecto, esta contracción observada sobre los bordes confirma que la presión aplicada sobre las caras de la pirámide es más débil que sobre la punta y las aristas.

La aparición o no de fisuras alrededor de la huella es un fenómeno particu-larmente delicado; está actualmente demostrado que con velocidades de apli-cación de la carga suficientemente pequeños se pueden obtener huellas sin fisuras, incluso con valores de la carga extremadamente elevados (1).

La huella resultante de la deformación permanente de la superficie del vidrio es ciertamente la consecuencia de varios mecanismos cuya importancia no parece ser la misma para todos los vidrios. No vamos a pasar revista a todos los trabajos antiguos y modernos que han permitido examinar los diferentes mecanismos de formación de una huella de microdureza. Vamos a limitarnos a recordar algunas hipótesis.

Uno de los mecanismos primeramente propuestos es el de la fluencia del vidrio por efecto de la presión (2) y (3). Considerando este hecho, Bastick (4) ha señalado que existe una correlación entre los valores de microdureza Vic-kers y las temperaturas correspondientes a una determinada viscosidad en función de la composición.

Otra hipótesis es la que explica la formación de la huella debido a un efecto de densificación de la superficie del vidrio por efecto de la presión apli-cada (5) y (6). Si se calcula la presión que actúa realmente sobre la superficie del vidrio, los valores calculados pueden variar aproximadamente entre 10^ Kg/cm^, si se considera la presión media, como hace Mackenzie (6), y 10^ Kg/cm^ si se considera la fuerza aplicada sobre la punta de la pirámide (1/xm )̂ con cargas del orden de 100 g. Se ha comprobado que estos valores ex-tremadamente elevados de la presión aplicada son del orden de los encontra-dos por otros investigadores para producir efectos de densificación en el vidrio, sometiéndole a altas presiones (7) y (8). Estos valores son también pró-ximos a los de las presiones necesarias para actuar sobre las fuerzas de cohe-sión intermolecular del vidrio (del orden de LOOO a 2.000 Kg/mm^).

Otro mecanismo propuesto señala la importancia de la tensión superficial del

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vidrio. Alejnikov (9) y Makhnavestkij (10) han observado una relación entre la microdureza y la tensión superficial; estos autores han propuesto incluso la utilización de las medidas de microdureza para calcular la tensión superficial del vidrio. Alejnikov (9) ha propuesto una relación del tipo :

donde T y H representan respectivamente la tensión superficial y el índice de microdureza.

A este respecto se puede hacer notar que la superficie de la huella es el resultado de la formación de una nueva superficie y que, aún teniendo en cuenta el polvo de vidrio arrancado en el curso del ensayo y de los rodetes eventualmente formados sobre los bordes de la huella, se encuentra siempre que el volumen de la huella es marcadamente superior al volumen total del polvo y los rodetes.

Es interesante comprobar que las hipótesis más plausibles intentan inter-pretar la formación de la huella basándose en consideraciones que afectan di-rectamente la estructura del vidrio y sin embargo no indican generalmente la correlación que existe entre un ensayo que puede ser clasificado entre los ensayos mecánicos y la resistencia mecánica del vidrio.

En efecto, las presiones aplicadas sobrepasan ampliamente el límite de re-sistencia mecánica del vidrio. Ahora bien, es un hecho comprobado que en los ensayos donde las condiciones han sido bien elegidas, se puede obtener una deformación permanente sin fisuras.

En fin, hagamos notar que los autores que han querido establecer una co-rrelación entre los valores de microdureza y la composición del vidrio han considerado poco el problema del mecanismo de formación de la huella y que aquéllos que han querido entrar de lleno en la consideración sobre las causas de la deformación permanente resultante de los ensayos de microdureza han elegido generalmente un solo tipo de vidrio.

En estas condiciones, hemos pensado que sería interesante escoger tres tipos de vidrio distintos cuyas características estructurales difieren entre sí y es-tudiar el aspecto de las huellas y la variación de su forma después de dife-rentes tratamientos térmicos, utilizando varias técnicas que se complementan entre sí. Los vidrios escogidos han sido un vidrio sodocálcico, bruto de esti-rado, un vidrio borosilicatado con un fuerte contenido de anhídrido bórico (30 % B2O3), y un cristal de plomo (26 % PbO).

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Las técnicas utilizadas han sido la microscopía óptica por reflexión y por transmisión, el estudio microscópico de las tensiones con luz polarizada, la microscopía interferencia! y en ciertos casos el microscopio electrónico de barrido.

II. Técnica experimental

Para los ensayos de microdureza, se ha utilizado un microdurómetro EUiot tipo GKN Micro-Hardness Tester. Las cargas aplicadas han sido de 30 g., 50 g. y 100 g.; la duración del mantenimiento de la carga ha sido de 15 s. en todos los ensayos. Se han efectuado por carga y por muestra series de 5 a 6 huellas.

Estos ensayos han sido primeramente efectuados sobre muestras recocidas y templadas. En todos los casos, se ha medido las diagonales de las huellas para calcular los valores de microdureza de la forma habitual y se ha estudiado el aspecto y la profundidad de las huellas por interferometría. El estudio inter-ferométrico ha sido realizado con luz amarilla (A = 0,589 ¡mm) y la profundidad h ha sido calculada a partir de la relación sobradamente conocida h — n' A/2, siendo n el número de franjas.

Con el ñn de estudiar la variación de la forma de las huellas bajo los efectos de un tratamiento térmico determinado, se han escogido en principio tres tem-peraturas: la primera antes de Tg, la segunda en la zona de recocido y la tercera más allá del punto de reblandecimiento dilatométrico. La tabla I indica los valores de T^ y de T̂ ^ correspondientes a los tres vidrios.

En el caso del vidrio bórico, dado que la curva dilatométrica presenta dos puntos Ri y R2, después del punto Tg, se ha considerado una cuarta tempera-tura de tratamiento más allá del punto de reblandecimiento dilatométrico (R2).

Se han estudiado en el microscopio polarizante las tensiones alrededor de las huellas; después, por microscopía óptica en reflexión y transparencia, se ha seguido la evolución del aspecto de las huellas y se han medido las varia-ciones de las dimensiones de las diagonales y de los bordes; paralelamente se ha seguido por interferometría, la variación del aspecto y de la profundi-dad de las huellas.

Por último, algunas huellas escogidas han sido observadas en el micros-copio electrónico de barrido bajo un ángulo de inclinación de 30"*. Las mues-tras han sido metalizadas, depositando según la técnica del cuarzo vibrante, una película de cobre-oro de 150 ± 5 Â.

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TABLA I

H ** TIPO DE VIDRIO , , . J ^ / i ^ / A T ç j ( ^ C ) Microdureza (Kg/mm-) ° ̂ ^

T^eO

Sodocálcico 520 540 Borosilicatado 495 500 Cristal de Pb 440 435

580 535 580*

475

* Estas temperaturas corresponden a los puntos Ri y R2 de la curva dilatométrica. ** Carga aplicada: lOOg.

III. Exposición de los resultados.

III. 1. COMPARACIÓN DE LAS HUELLAS SOBRE VIDRIO TEMPLADO Y SOBRE VIDRIO

RECOCIDO

Se observa en todos los casos, que la huella es más grande y más profunda sobre la muestra de vidrio templado que sobre la muestra de vidrio recocido, es decir, que los valores encontrados para la microdureza del vidrio disminuyen con el tratamiento de templado. Este resultado ya es conocido y no merece de momento ningún comentario particular. Señalaremos solamente que la dife-rencia más marcada entre la muestra templada y la muestra recocida corres-ponde al vidrio de borosilicato, y que la diferencia más pequeña corresponde al cristal de plomo.

Las ñguras 1 a 3 muestran las microfotografías en interíerometría de las huellas sobre los tres vidrios estudiados en estado templado y recocido.

FiG. 1.—Comparación de las huellas obtenidas sobre vidrio sodocálcico (x800). a) Reco-cido (100 g., 50 g.); b) Templado (100 g.).

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FiG. 2.—Comparación de las huellas sobre vidrio borosilicatado (x800). a) Recocido (100 g., 50 g.); b) Templado (100 g., 50 g.).

FiG. 3.—Comparación de las huellas obtenidas sobre cristal de plomo (x800). a) Reco-cido (100 g.); b) Templado (100 g.).

III.2. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LA FORMA Y DIMENSIONES DE LAS HUELLAS POR TRATAMIENTO TÉRMICO

Las temperaturas y la duración del tratamiento térmico han sido indicadas en la tabla II. Las muestras tratadas en las condiciones indicadas han sido enfriadas al aire.

Para evaluar la contracción de las diagonales y de los bordes, se ha medido la longitud de las diagonales y la distancia que separa los centros de dos bordes opuestos, antes y después del tratamiento térmico, para cada tempe-ratura. Estos valores son valores medios determinados a partir de cinco o seis



TABLA II

TEMPERATURA Y DURACIÓN DEL TRATAMIENTO TÉRMICO DE LAS HUELLAS

TIPO DE VIDRIO TEMPERATURA DE TRATAMIENTO C'C)

T- Temp, de recocido TR * Duración del

tratamiento (h.)

Sodocálcico Borosilicatado Cristal de Pb

525 485 420

565 605 520 560** 600***

460 500

22 22 22

* Temperatura escogida un poco más allá del punto de reblandecimiento dilato-métrico.

** Temperatura escogida un poco más allá del punto Ri en la curva dilatométrica. *** Temperatura escogida un poco más allá del punto R2 en la curva dilatométrica.

huellas. Es conveniente señalar que la medida de la distancia que separa los centros de dos bordes opuestos es muy delicada, y los valores correspondientes son dados únicamente a título indicativo.

Seguidamente se ha valorado la contracción según la profundidad sobre las fotografías en interferometría, contando el número de franjas en el interior de las huellas antes y después de cada tratamiento térmico.

Finalmente se ha observado la evolución de las figuras de birrefringencia en el microscopio con luz polarizada.

Sobre el vidrio sodocálcico, los bordes de las huellas brutas presentan un aspecto ligeramente cóncavo, lo que indica una contracción elástica más pro-nunciada sobre los bordes que sobre las diagonales. Bajo la inñuencia del tra-tamiento térmico, se ha observado una contracción relativamente pequeña de las diagonales (del orden de 5 %), esta contracción crece ligeramente con la temperatura. Por el contrario, la contracción de los bordes es mucho más im-portante (del orden de 20 %), lo que explica el aspecto cóncavo de las huellas. La contracción de los bordes y la contracción de las diagonales no siguen la misma ley de variación en función de la temperatura; se observa una dismi-nución de la concavidad cuando se pasa de una temperatura inferior a Tg a otra temperatura superior a Tg (comparar las fotografías 4b y 4c).

La figura 4 muestra las microfotografías con luz reflejada y por interfero-metría de las huellas sobre vidrio sodocálcico antes y después del tratamiento térmico. Se puede observar la variación del aspecto de las huellas, la contrac-ción de las diagonales y de los bordes y la variación de la profundidad.

Sobre el vidrio borosilicatado estudiado, se observa un comportamiento algo

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FiG. 4.—Estudio microscópico por reflexión y por interferometría de la variación de la forma y dimensiones de las huellas después del tratamiento térmico. Vidrio sodocálcico. Carga: 100 g. y 50 g. (x800). a) Antes del tratamiento térmico, b) Después del calen-tamiento a 525^ C « Tg.), 22 h. c) Después del recocido a 565° C, 22 h. d) Después del

calentamiento a 605'' C (TR), 22 h.

diferente. Sobre el vidrio bruto, los bordes de las huellas son ligeramente cón-cavos y se observa incluso para las cargas de 50g la existencia de fisuras la-terales que hacen pensar en el efecto de un esfuerzo de cizalla. Después de los distintos tratamientos térmicos, la contracción de las diagonales es aún pe-queña (del orden del 1 %) y no varía de manera sensible con la temperatura.

Por el contrario, se observa después de T^ una extensión progresiva de los bordes de la huella: los bordes se vuelven convexos y aparece una serie de "escalones" paralelos a los bordes. Se observa en interferometría una clara dis-minución de la profundidad de las huellas.



FIG. 4 bis.—Estudio microscópico por reflexión y por interí er ametría de la variación de la forma y dimensiones de las huellas después del tratamiento térmico. Vidrio sodocálcico. Carga: 100 g. y 50 g. (x800). a) Antes del tratamiento térmico, b) Después del calen-tamiento a 525'> C « Tg.), 22 h, c) Después del recocido a SóS'^ C, 22 h. d) Después del

calentamiento a 605^ C (TR), 22 h.

La figura 5 da las microfotografías con luz reflejada y por interferometría de las huellas obtenidas con cargas de lOOg y 50g respectivamente antes y después del tratamiento térmico.

Finalmente, sobre el cristal de plomo, las huellas brutas aparecen práctica-mente sin concavidad, lo que significa que, si hay contracción elástica, ésta es la misma para las diagonales y los bordes; se observan además fisuras. El tra-tamiento térmico inferior a Tg produce una contracción de los bordes, más fuerte que sobre las diagonales, de ahí el aspecto cóncavo de las huellas. Para

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1 ttb^'^

FIG. 5.—Estudio comparativo por reflexión y por interferometría de la variación de la forma y dimensiones de las huellas después del tratamiento térmico. Vidrio borosilica-tado. Carga: 100 g y 50 g. (X800). a) Antes del tratamiento térmico, b) Después del calentamiento a 485^ C « Tg), 22 h. c) Después del recocido a 520^ C, 22 h. d) Después

del calentamiento a 560^ C, 22 h. e) Después del calentamiento a 600" C, 22 h.



F I G . 5 bis.—Estudio comparativo por reflexión y por interferometria de la variación de la forma y dimensiones de las huellas después del tratamiento térmico. Vidrio borosili-catado. Carga: 100 g. y 50 g. (X800). a) Antes del tratamiento térmico, b) Después del calentamiento a 485^" C « Tg), 22 h. c) Después del recocido a 520'' C, 22 h. d) Después

del calentamiento a 560" C, 22 h. e) Después del calentamiento a óOO'' C, 22 h.

el tratamiento superior a T ,̂ la contracción en las diagonales se vuelve más importante que en los bordes, la huella tratada a 460° C aparece menos cón-cava que la huella tratada a 420° C (comparar las figuras 6b y 6c).

La figura 6 muestra las microfotografías con luz reflejada y por interfe-rometria de las huellas obtenidas con cargas de lOOg y 50g respectivamente antes y después del tratamiento térmico.

La tabla III reúne los resultados de las medidas de la variación de las di-

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I. ROBREDO, M. L. CALVO Y G. DUSOLLIER

TABLA III

INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO SOBRE LAS DIMENSIONES DE LAS HUELLAS

(Carga aplicada : lOOg)

VARIACIÓN DE LA LONGITUD

DE DIAGONALES

VARIACIÓN DE LA DISTANCIA

ENTRE DOS PORDES O P U E S T O S *

Inferior tempera- Superior inferior tempera- Superior TIPO DE VIDRIO a x^ tura de a T ** ^nie^i^r ^^^^ ^^ a T **

^ recocido R ^ recocido R-

Sodocálcico...

Borosilicatado.

Cristal de Pb.

(525^0 (565^ C) (605° C) (525° C) (565« C) (605° C)

— 5 % —8% La huella ^—20% ^ — 15% La huella desaparece desaparece

(485° C) (520° C) (600° C) (485° C) (520° C) (600° C)

— 1 % — 1 % — ^ — 6 % — — (560° C) (560° C)

— 1 % ^ + 12%

(420° C) (460° C) (500° C) (420° C) (460° C) (500° C)

— 5 % — 8 % — ^—15% ̂ —11% —

* El error en los valores correspondientes a las medidas realizadas es importante. ** Temperatura elegida un poco más allá del punto de reblandecimiento dilatomé-

trico.

FiG. 6.—Estudio microscópico por reflexión y por interferometría de la variación de la forma y dimensiones de las huellas después del tratamiento térmico. Cristal de plomo. Carga: 100 g. y 50 g. (X800). a) Antes del tratamiento térmico, b) Después del calen-tamiento a 420'> C « Tg), 22 h. c) Después del recocido a 460'' C, 22 h, d) Después del

calentamiento a SOO'' C « TR), 22 h.

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FIG. 6 bis.—Estudio microscópico por reflexión y por interferometría de la variación de la forma y dimensiones de las huellas después del tratamiento térmico. Cristal de plomo. Carga: 100 g. y 50 g. (X800). a) Antes del tratamiento térmico, b) Después del calenta-miento a 420^ C « T g ) , 22 h. c) Después del recocido a 460^ C, 22 h. d) Después del

calentamiento a 500^ C « TR), 22 h.

22 ßOL. SOC. ESP. CERÁM., VOL. 9 - N.^ 1


mensiones de las huellas después de un tratamiento térmico. Es conveniente hacer notar que las medidas de las dimensiones de las diagonales y los lados que se han obtenido calculando el porcentaje de la contracción después del tra-tamiento térmico, han sido efectuadas lo más rápidamente posible después del ensayo. Es un hecho corrientemente observado que las huellas libres de fisuras ''revientan" después de un cierto tiempo, lo que a veces modifica considera-blemente su geometría. Este efecto está generalmente reforzado por el trata-miento térmico. Estas son las razones que nos han hecho señalar más arriba que las cifras dadas son simplemente a título indicativo.

La tabla IV da la variación de la profundidad de las huellas en función de la temperatura.

TABLA IV

VARIACIÓN DE LA PROFUNDIDAD DE LAS HUELLAS DESPUÉS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO

PROFUNDIDAD DE LA HUELLA (distancia entre 2 franjas ~ 0,3 /Jim)

TIPO DE VIDRIO Antes del tratamiento

térmico Después del trata-miento inf. a Tg

Después del trata-miento a la tempe-ratura de recocido

100 g 50 g 100 g 50 g 100 g 50 g

Sodocálcico ... 6-7 fr. 5 fr. 5 fr. 3-4 fr. 5 fr. 3 fr. c^ 2/;im 1,5/xm 1,5/xm ^ 1,05/xm 1,5/vim 0,9/xm

Borosilicatado ... ... 5-6 fr. 3 fr. 4-5 fr. 2-3 fr. 4 fr. 2-3 fr. ^ 1,65/jim 0,9am ^ 1,35/xm í^ 0,75/xm 1,2/xm ^ 0,75/xm

Cristal de Pb. ... ... 7 fr. 5 fr. 5-6 fr. 4 fr. 4-5 fr. 3 fr. — 2,1/xm l,5/-tm ^ 1,65/xm l,2//m ^ 1,35/xm ^ 0,9/Am

III.3. ESTUDIO DE LAS TENSIONES

La observación de las huellas en el microscopio polarizante muestra que en todos los casos estudiados existen fuertes tensiones sobre las huellas brutas. Estas tensiones son visibles principalmente alrededor de los vértices de las diagonales (fig. 7). A consecuencia del tratamiento térmico, las tensiones obser-



vadas desaparecen a partir de una temperatura bastante inferior a la zona de recocido, y donde se han observado importantes contracciones de los bordes. Por otra parte, sobre el vidrio borosilicatado, se observan claramente sobre las paredes de la huella tensiones a nivel de los ''escalones" ya observados con luz reflejada sobre las mismas huellas (fig. 8).

FIG. 7.—Observación de las huellas en luz polarizada (x800). a) Vidrio sodocálcico. b) Vidrio borosilicatado. c) Cristal de plomo.

IIL4. ESTUDIO EN EL MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO

Con el fin de estudiar más detalladamente el aspecto real de las huellas, se ha observado en el microscopio electrónico de barrido algunas huellas brutas y otra tratadas a 500^ C durante 48 h.

24 ßOL. SOC. ESP. CERÁM., YOL. 9 - N.** 1

FIG. 8.—Observación en luz polarizada de las huellas obtenidas sobre vidrio borosilica-tada con cargas de 100 g., 50 g y 30 g., después de un tratamiento térmico a 560^ C, 22 h.

W'

m ù'M

FIG. 9 a.—Muestra sin tratamiento térmico.


^

FIG. 9 b,—Muestra sin tratamiento térmico.

FiG. 9 c.

FiGS. 9 {a, b y c).—Huella obtenida con una carga de 30 g. y tratada a 500" C « Tg.), 48 h, (X 10.000).

26 30L . SOC. ESP. CERÁM., VOL. 9 - N.^ 1

• • ^ * * * 3 Í I ^ ' " •


En la figura 9 se ve una microfotografía correspondiente a una huella sobre el vidrio sodocálcico. Después de un tratamiento de 48 h. a 500" C, los bordes de la huella se inflan y presentan líneas convexas (fig. 9c).

En la figura 10a se muestran las huellas obtenidas sobre el vidrio borosili-catado sin tratamiento térmico con cargas de 50g y lOOg. Los ^'escalones" pa-ralelos a los bordes son claramente visibles. La figura lOb es una fotografía aumentada de una huella realizada con una carga de lOOg.

Finalmente, en la figura 11 se ve una huella obtenida sobre un vidrio Pyrex después de un tratamiento térmico de 48 h. a 500^ C. Se puede hacer notar la presencia de **gotitas'', localizadas principalmente sobre la punta y las dia-gonales.

IV. Interpretación de los resultados

Los resultados obtenidos a lo largo de este estudio plantean un cierto nú-mero de cuestiones relacionadas con el mecanismo de formación de la huella.

FiG. 10 a.



F I G . 10 b.

F I G S . 10 (a y b).—Observación en el microscopio electrónico de barrido de las huellas obte-nidas sobre el vidrio borosilicatado sin tratamiento térmico, a) Con cargas de 50 g. y 100 g.

(x500). b) Con una carga de 100 g. (xó.OOO).

Si se sigue el razonamiento de Neely & MacKenzie (6), el mecanismo de densiñcación quedaría conñrmado por el hecho de que el tratamiento térmico, antes de la zona de transformación, determina una contracción de las diago-nales y de los bordes, así como una disminución de la profundidad de las huellas. Es difícil, en efecto, admitir que existe fluencia por debajo de la zona de transformación.

Por otra parte, la observación de un efecto óptico de birrefringencia, con luz polarizada, alrededor de las diagonales, puede considerarse también como una conñrmación de esta hipótesis: en efecto, un retraso en la marcha de la luz se produce en las capas densiñcadas, justamente en las diagonales y alre-dedor de ellas, es decir, en las zonas donde la presión aplicada es máxima. El hecho de que este efecto óptico desparezca a causa de un tratamiento térmico

28 POL. s o c . ESP. CERÁM., VOL. 9 - N.^ 1


8BBESHHÍ^S^9I

pqgpl^^^^

FiGS. Il {a y b).—Observación en el microscopio electrónico de barrido de una huella sobre vidrio Pyrex despules de un tratamiento térmico a 500° C « Tg), 48 h, a) (x 6.000).

b) (X 12.000).



de las huellas a una temperatura por debajo de la zona de transformación con-firma la hipótesis de un efecto de densificación.

Neely & MacKenzie (6), en su estudio sobre la microdureza de la silice vitrea, han propuesto una distinción entre dos tipos de densificación, reversi-ble y permanente, siendo la primera susceptible de desaparecer después de un tratamiento térmico por debajo de la temperatura de transformación. Si exis-tiera una densificación permanente después del tratamiento térmico, los efec-tos ópticos debidos a la existencia de tensiones deberían poder observarse en luz polarizada. Ahora bien, hemos podido observar sobre los tres tipos de vidrios estudiados que ninguna tensión aparece después del tratamiento térmi-co de la huella por debajo de la zona de transformación.

Por otra parte es difícil excluir un efecto de fluencia del vidrio en el proceso de formación de la huella, efecto que varía según el tipo de vidrio. En efecto, la formación de un ligero rodete puede observarse sobre los bordes de algunas huellas exentas de roturas laterales y en las cuales la contracción elástica de los bordes es bastante débil. La formación de estos rodetes puede explicarse fácil-mente considerando la existencia de una cierta fluencia del vidrio, ya sea como fenómeno plástico o viscoso, que lleva consigo un desplazamiento de la materia bajo un esfuerzo de cizalla.

Bartenev y Sanditov (11) han observado el perfil de una huella sin rodetes sobre un vidrio sodocálcico (carga 20g) y piensan que se produce un ''hundi-miento" de la huella que corresponde al mecanismo esférico de la deformación propuesta por Marsh (12). Además, la fotografía de una huella de vidrio sodo-cálcico (carga lOOg) realizada en el microscopio electrónico de barrido y dada en la figura 9a, nos muestra una fisura lateral que impide la formación de ro-detes. Por el contrario, ciertas fotografías de huellas en interferometría que no presentan fisuras laterales, muestran un ligero cambio de curvatura de las franjas de interferencia próximas a los bordes (ver fig. 4a); esta observación podría indicar la existencia de un débil rodete (inferior a un 1/100 de interfranja) del orden de 300 Â.

Recordaremos a este respecto la excelente fotografía en el microscopio elec-trónico de barrido publicada por Dick y Peters (13) en la discusión del artículo de Ensberger (5), donde la presencia de un rodete, formado en el curso de un ensayo, es tan visible como la formación de fisuras lejos de la superficie del vidrio. Ahora bien, es necesario hacer notar que los trabajos de Neely y Mackenzie (6), que excluyen un mecanismo de fluencia han sido efectuados solamente sobre la sílice vitrea y que en nuestros ensayos se encuentran líneas de fluencia particu-larmente claras sobre el vidrio sodocálcico. En efecto, las fotos realizadas en el

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microscopio electrónico de barrido, particularmente sobre la huella de vidrio so-docálcico calentada a 500° C muestran, que hay un desplazamiento del vidrio, efecto puesto de maniñesto enseguida por el tratamiento térmico. La figura 9c muestra una serie de líneas convexas que se aproximan sobre las aristas y se separan sobre las caras de las huellas. Podría admitirse que la densificación, más fuerte sobre las aristas, mantiene el vidrio "fijo'' en el curso del tratamiento térmico, mientras que sobre las partes sometidas a una presión más débil hay efecto del reflejo del vidrio y por ello un desplazamiento de la materia.

Todas estas observaciones indican que, en la formación de la huella, inter-vienen varios mecanismos; el volumen de la huella debe ser el resultado de varios efectos combinados de los cuales los dos más importantes parecen ser la compacción y un cierto desplazamiento de la materia bajo la acción de un es-fuerzo de cizalla. Un calentamiento de la superficie bien localizado puede actuar de forma más o menos acusada, según sean las condiciones experimentales y la naturaleza del vidrio, sobre el efecto de fluencia y sobre la formación de fisuras.

Otro hecho que merece algunos comentarios es el de la formación, en el vidrio borosilicatado, de "escalones" paralelos a los bordes sobre las paredes de la huella; estos escalones son visibles sobre las microfotografías tomadas con luz reflejada y con luz polarizada, después del tratamiento térmico, a partir de la zona de transformación (fig. 8) y sobre la fotografía de la figura 10, tomada en el microscopio electrónico de barrido sobre una huella antes del tratamiento térmi-co. La regularidad de estos escalones nos ha incitado a estudiar el fenómeno más de cerca y se ha encontrado que la distancia entre dos escalones es del orden de 3.000 a 4.000 Â. Este es justamente el tamaño aproximado de las "gotitas" observadas al microscopio electrónico en otros vidrios borosilicatados, después de la separación de fases.

La separación de fases también es observable en la fotografía realizada en el microscopio electrónico de barrido de una huella sobre vidrio Pyrex, después de un tratamiento térmico a 500° C durante 48 h. (fig. 11). Se observa que el efecto es más marcado en el fondo de la huella y alrededor de las aristas. Estas obser-vaciones hacen pensar que la presión ejerce una influencia sobre la tendencia a la separación de fases: la presión actuaría de forma que la temperatura corres-pondiente a la separación de fases tendería a disminuir, de la misma manera que disminuye la temperatura de devitrificación del vidrio por efecto de la pre-sión (16). Pero igualmente puede preguntarse si a lo largo del proceso de for-mación de la huella, no existe realmente un calentamiento del vidrio que ac-tuaría al mismo tiempo que la presión y podría explicar en parte el proceso de separación de fases. El problema queda así planteado.

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V. Consideraciones finales

La capa de vidrio examinada en los ensayos de microdureza no es más que una capa superficial (del orden de 3/^m). Podría entonces preguntarse si este ensayo puede dar una información real sobre el vidrio en masa. Sin embargo, ¿no es justamente esta capa superficial la que determina la calidad del vidrio?

En todo caso, no parece fácil el deducir de estos ensayos una conclusión relacionada con la resistencia mecánica del vidrio. Por el contrario, si se considera que el esfuerzo aplicado da lugar a la creación de una nueva super-ficie, se puede considerar como cierta la hipótesis de Makhnavetskij (10) que ve en los ensayos de microdureza un método para medir la tensión superficial del vidrio.

Ahora bien, si se habla de tensión superficial, hay que considerar también el concepto de viscosidad y desplazamiento de las unidades de estructura, como lo ha demostrado Beyersdörfer (15) en la siguiente relación:

= ' ( ^ )

siendo rj la viscosidad, o- la tensión superficial y w la velocidad de desplaza-miento de las unidades de estructura.

En todo caso, parece ser que los ensayos de microdureza dan una mayor información sobre ciertas características relacionadas con la estructura de la capa superficial que sobre las propiedades mecánicas de la masa de vidrio. Es cierto que un estudio más profundo sobre estos ensayos debe ser realizado antes de concluir sobre la significación real de las medidas de microdureza en el vidrio.

Agradecimiento

Los autores agradecen a Mlle, M. Derobert, responsable de la Sección de Mineralogía de Vlnstîtut du Verre, su contribución decisiva al estudio micros-cópico e interferométrico. Agradecen igualmente a Monsieur P. Bais, de la Société B. S. N., su valiosísima ayuda en el estudio en microscopía electrónica de barrido.

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BIBLIOGRAFÍA

1. GAGNE, R., "Microhardness of glasses from slow-loading indentations", 70th Annual Meeting of the American Ceramic Society, Chicago, abril 1968.

2. TAYLOR, E. W., "The plastic deformation of optical glass", /. Soc. Glass Tech,, 34, 157, 69-76 (1950).

3. DOUGLAS, R. W., "Some comments on indentation tests in glass", /. Soc. Glass Tech., 42, 206, 145-157 (1958). BASTICK, R. E., "Discussion de l'article de Taylor, E. W. (2)", / . Soc. Glass Tech., 34, 157, 75 (1950). ERNSBERGER, F . M. , "Role of densification in deformation of glasses under point loading", /. Amer. Ceram. Soc, 51, 10, 545-547 (1968). NEELY, J. E. y MACKENZIE, J. D., "Hardness and low-temperature deformation of si-lica glass", /. Mat. Sei., 3, 6, 603-609 (1968). BRIDGMAN, P . W . y SIMON, 1., "Effects of very high pressures on glass", / . Appl. Phys,, 24, 4, 405-413 (1953). COHEN, H . M . y ROY, R., "Effects of ultra high pressures on glass", /. Amer. Ceram. Soc, 44, 10, 523-524 (1961). ALEJNIKOV, F . K., "Influence de la microdureté de la poudre abrasive sur la valeur des coefficients d'abrasivité volumique déterminées par la méthode d'abrasion re-ciproque" (orig. russe), Zh. Tekh. Fiz., 27, 3, 367-574 (1957). MAKHNAVETSKIJ, A . S., "Calcul de l'énergie superficielle des verres d'après les va-leurs mesurées de microdureté" (orig. russe), Steklo Keram., 22, 5, 19-20 (1965). BARTENEV, G. M. y SANDITOV, D. S., "Evaluation de la limite de "plasticité" des vers minéraux par une méthode de microenfoncement", Dokl. Akad. nauk SSSR, 184, 5, 1.090-1.094 (1969). MARSH, D. M., "Plastic flow in glass", Proc Royal Soc, 279 A, 420-435 (1964). DICK, E. y PETERS, K., "Generation of deep cracks in glass", /. Amer. Ceram. Soc, 52, 6, 388-389 (1969). SAKKA, S. y MACKENZIE, J. D., "High pressure effects on glass", / . non-crystall. So-lids, 1, 2, 107-142 (1969).

15. BEYERSDÖRFER, P., "Oberflächenspannung und Viskosität", Sprechsaal, 96, 10, 224-226 y 14, 235 (1963).

4.

6.

9.

10.

11.

12. 13.

14.

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