BOLSOCESP.CERAM.VIDR. 28 (1989) 4, 257-267

Fractografia de vidrios y materiales vitrocerámicos

J. Ma. RINCÓN, P. CALLEJAS, F. CAPEL Instituto de Cerámica y Vidrio, C.S.I.C., Arganda del Rey (Madrid)

RESUMEN.—Fractografia de vidrios y materiales vitro­cerámicos.

En este trabajo se analizan algunos de los aspectos de la fractura de vidrios y materiales vitrocerámicos así co­mo las técnicas empleadas en estudios fractográfícos de dichos materiales. Se lleva a cabo una amplia revisión de los trabajos de investigación realizados para estudiar la fractura frágil de este tipo de materiales. A continuación se analizan los diferentes aspectos que pueden presentarse en la fractura relacionándolos con la microestructura y la composición del material. También se intenta correla­cionar las fracturas de los vidrios y materiales vitrocerá­micos con las de otro tipo de materiales como son los materiales cerámicos y algunos metales. Y por último, se presentan y discuten algunas fracturas obtenidas por los autores.

ABSTRACT.—The fractography on glasses and glass-ceramics.

The most important features of the fracture and frac-tographic analysis on glasses and glass-ceramics are con­sidered. Likewise, the experimental techniques used for studying the fractographies are shortly described. From the references and the own research the relations between the fracture, microstructure and composition are discuss­ed. Lately, by presenting some fractographies of the autors and from littérature, comparisons between the materials here considered, ceramics and some metals are discussed.

1. INTRODUCCIÓN

En la actualidad existe a nivel mundial un enorme interés en el estudio de nuevos materiales. Cada día las exigencias a que se ven sometidos determinados tipos de materiales así como las condiciones de seguridad que se les exige para evitar su rotura son cada vez más severas. De ahí, que el análisis y estudio de la fractura para conocer las causas que la pro­vocaron sea uno de los temas prioritarios de investigación dentro del campo de la Ciencia y Tecnología de los Mate­riales.

Los materiales cerámicos, vitreos y vitrocerámicos están en continuo desarrollo y debido a que son materiales cuya debilidad está en su fragilidad, el estudio de la fractura es de vital importancia para su perfecto conocimiento y carac­terización. Sin embargo, el estudio de la fractura en este ti­po de materiales no está muy desarrollado, a pesar del interés que tiene para la mejora de sus propiedades. Nuestra expe­riencia personal en los últimos años ha sido principalmente en el estudio y análisis de fracturas en vidrios y materiales vitrocerámicos o vitrocristalinos. Así pues, se presentan en este trabajo algunas de las micrografías de fractura obteni­das en nuestras investigaciones con dichos materiales.

Para llevar a cabo este estudio se han analizado más de 300 micrografías de materiales cerámicos, vitrocerámicos, y vidrios, lo que hace prácticamente imposible el exponer­las aquí. Hay abundante material bibliográfico de materia­les cerámicos, muy escaso de vidrios y casi inexistente de materiales vitrocerámicos. Por último, se hace una descrip­ción de aquellas técnicas que usualmente se utilizan para el estudio de superficies de fractura y que nos dan una infor­mación muy valiosa para el conocimiento de estos materiales.

2. FRACTURA Y FRACTOGRAFIA

La fractura es el hecho por el cual un material determina­do se rompe, pierde su unidad o coexión, para convertirse en dos o más unidades; y se puede producir por varios me­canismos. En general, los materiales cerámicos y vitreos son materiales frágiles, aunque alguna vez se haya cuestionado si puede existir algo de fractura dúctil en los mismos.

Es bien conocida la expresión de Griffith que relaciona la resistencia de rotura con las microgrietas existentes en el material. La tensión crítica para propagar una grieta depen­de de su tamaño según la expresión

_ / 4 ^ [1]

Recibido el 17-5-88 y aceptado el 20-2-89.

JULIO-AGOSTO, 1989

y es la energía superficial que varía con el tamaño de grano y la pureza del material y en menor extensión con la tempe­ratura y la porosidad; E, es el módulo de Young y c, la lon­gitud de la grieta que en parte nos da idea de la micro-estructura del material (1).

Parece ser que la fractura controlada de grietas superfi­ciales ocurre a altos niveles de resistencia mecánica y la frac­tura de grietas de volumen a bajos niveles de resistencia. La nucleación de la fractura es fundamental, y en materiales po-licristalinos se sabe que las grietas se pueden nuclear por varios mecanismos, entre ellos, por deslizamiento en las fron­teras de grano. Según muchos autores, las tensiones locali­zadas por deslizamiento en fronteras de grano dependen de la distribución de dislocaciones en los cristales y de su habi­lidad para el deslizamiento transversal (2). En materiales po-licristalinos, como son los materiales cerámicos con varias fases y generalmente muy defectuosas, la geometría de la microestructura influye en la fractura. Así, en microestruc-

257

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turas polifásicas influyen más la cantidad de fases y la dis­tribución de las mismas. Esta estrecha dependencia entre fractura y microestructura indica el gran interés que tiene la observación fractográfica para ver dónde y cómo se ha originado la fractura.

En la fractura de un material no influye sólo su microes­tructura, sino también el historial energético a que se ha so­metido previamente el mismo, así como el tipo de esfuerzo a que ha sido sometido para provocar la fractura: flexión, tracción, impacto, etc. Hay ejemplos muy claros de bandas de deslizamiento que aparecen en policristales de cloruro só­dico, cuya fractura es muy semejante a la del óxido de mag­nesio policristalino (3), así como en las grietas producidas a través de muestras de fluoruro calcico fracturada a 120°C en las que puede verse que la rotura cerca de los límites de grano conduce a la fractura total del material (4).

Generalmente, suelen observarse dos tipos de fractura en materiales cerámicos: Intergranulares y transgranulares; se­gún que las líneas de fractura bordeen o atraviesen los gra­nos. Así, se pueden observar fracturas intergranulares en un material policristalino de alúmina obtenido por compac-tación, mientras que pueden observarse fracturas transgra­nulares en alúmina obtenida por colaje. Generalmente, las fracturas que se presentan en los materiales cerámicos sue­len ser de ambos tipos inter y transgranulares al mismo tiem­po (figura 1) (5).

El estudio y análisis de la forma y tipo de fractura de un material es lo que se conoce con el nombre dcfractografla. La fractografía, pues, no es ni más ni menos que la visuali-zación y estudio de la fractura. La fractografía no debe li­mitarse a una fotografía más o menos bonita, para ilustrar un trabajo de investigación sino que debe constituir un dato gráfico de valiosa información sobre la fractura de un mate­rial, siendo preciso que la misma sea analizada y utilizada minuciosamente para poder extraer todos los datos posibles sobre la rotura del material. Y esto es posible si se lleva a cabo con metodología científica, controlando y normalizan­do todas las variables que influyen en su realización.

Al estudiar una microestructura nos interesa qué fases se presentan en el material, su tamaño, forma y distribución. Pero en el análisis fractográfico interesa el aspecto general que presenta la fractura, las grietas que aparecen, el reco-

Fig. {.—Imagen de electrones secundarios MEB de un material de alúmi­na Lucalox fracturado a la temperatura del N2 líquido mostrando las áreas de fractura intergranular (indicadas) junto a áreas de fractura transgranu-

lar. Según (5).

rrido de las mismas y la forma cómo se ha propagado la frac­tura. Una fractura se puede nuclear en una grieta, en un defecto o en una heterogeneidad. El tamaño de la grieta ini­cial también es muy significativo.

El análisis fractográfico se realiza generalmente sobre su­perficies de fractura que pertenecen al material en masa o al producto terminado, pero hay que señalar que, a veces, un análisis de fractura de un material pulverizado puede ser de gran utilidad para la identificación de fases en determi­nados casos. Así, en la figura 2a puede observarse en un pigmento un grano de zircon con un cristal de sulfoseleniu-ro de cadmio. El grano de zircon presenta unas líneas de fractura muy claras. En la figura 2b se observa un grano de vidrio del mismo pigmento fracturado mostrando en el inte­rior una textura de gotas de inmiscibilidad líquido-líquido (6).

3. TÉCNICAS EMPLEADAS EN EL ESTUDIO DE FRACTOGRAFIAS

Para observar una fractura se puede emplear desde la ob­servación a simple vista, hasta la observación por micros­copía electrónica. En la tabla I se recoge un esquema de las técnicas principales que pueden emplearse para su análisis, así como las técnicas auxiliares que pueden ayudar a su in­terpretación.

Tal y como se ha señalado anteriormente, la forma en que se realice la fractura influye a la hora de su análisis, por lo que es muy importante elegir bien las condiciones de reali­zación de la fractura. En investigación tienen más interés las fracturas controladas, pero de hecho las fracturas de los materiales se presentan en las condiciones de uso de los mis­mos, con lo cual hay que analizar a posteriori las posibles causas que las motivaron, siendo a veces muy difícil su in­terpretación.

Una vez obtenida la fractura debe limpiarse bien la super­ficie por lavados sucesivos, corrientes de aire o mediante ultrasonidos con objeto de eliminar las esquirlas de material roto que perturben su estudio. Se debe empezar siempre la observación a pocos aumentos y posteriormente ir amplian­do dicha observación con objeto de tener siempre presente una visión de conjunto de la muestra. Es conveniente dispo­ner de un croquis de la probeta para conocer en cada mo­mento la zona que se esté observando, así como las carac­terísticas de la misma.

La rugosidad de la superficie de fractura es un aspecto muy a tener en cuenta. De hecho, existe una graduación en la ru­gosidad de la superficie de un material vitreo a otro poli-cristalino. Así, se tienen:

— Fracturas concoideas o vitreas: en materiales totalmente vitreos y en materiales muy compactos.

— Fracturas semicristalinas mostrando una débil ru­gosidad.

— Fracturas microcristalinas con una rugosidad mo­derada.

— Fracturas cristalinas que dan una superficie de fractu­ra muy rugosa.

— Fracturas mixtas que se dan en muchos materiales vi-trocristalinos que presentan fractura de corteza de de­vitrificación y fractura interior.

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Fractografía de vidrios y materiales vitrocerámicos

Fig. 2.—a) Cristal hexagonal de sulfoseleniuro de cadmio junto a grano fracturado de zircon en un pigmento rojo estabilizado con zircon; b) grano fracturado de vidrio del mismo pigmento mostrando gotas de inmiscibili-

dad líquida (6).

3.1. Perfílogramas

Para que el análisis de la rugosidad no sea sólo una apre­ciación subjetiva se puede realizar un perfilograma de la su­perficie de fractura. Una aguja va recorriendo la superficie de fractura registrándose al mismo tiempo su perfil. La rea­lización de perfilogramas de superficies de fractura no se ha empleado suficientemente hasta la fecha; sin embargo, puede ser una técnica de gran interés para el análisis fracto-gráfico y de fácil aplicación.

Existen varios aparatos comerciales o de propio diseño cu­ya principal dificultad está en la inexistencia de normaliza­ción de los perfilogramas para que puedan ser comparables entre sí. Se han empleado perfilogramas para estudiar la su­perficie del vidrio obtenidas por Semenov (7) en vidrios de borosilicato sódico. Samuels y col. (8) con otro aparato di­ferente y cubriendo toda la superficie de fractura ha obteni­do perfilogramas de una fractura de una alúmina sinterizada. Como la observación se puede realizar perpendicularmente y paralelamente a la superficie de fractura es interesante dis­poner de ambos análisis para una más completa información.

3.2. Microscopía óptica

La lupa binocular ha sido hasta hace pocos años el apara­to más empleado para observar superficies de fractura, pero su limitada capacidad de aumentos no permitía observacio­nes muy detalladas de las mismas.

3.3. Microscopía electrónica de transmisión (MET)

Esta técnica permite mayores aumentos que la microsco­pía óptica pero la dificultad de trabajar con réplicas hace más

TABLA I

TÉCNICAS EMPLEADAS EN ESTUDIOS FRACTOGRAFICOS

TÉCNICAS PRINCIPALES TÉCNICAS AUXILIARES

— Obtención de perfilogramas Microcristalográfica o microanalíticas

— Optica: Lupa binocular por reflexión

— Difracción de electrones: Microdifracción — M. ü. iransmision y difracción de electrones de haz convergente

— Microscopía — Electrónica — M. E. Barrido

— Análisis de Energías Dispersivas (EDX) — Análisis con Cristal Analizador (WDX) — Catodoluminiscencia — Espectroscopia Auger — Diagramas cristalográficos de canalización

de electrones

— M. E. Fotoemisión

— Emisión acústica: Microscopio acústico

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TABLA II

REPLICAS PARA ESTUDIOS FRACTOGRAFICOS POR MET

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difícil el estudio de fracturas. No es objeto de este trabajo hablar con detalle de esta técnica, pero sí puede ser intere­sante recordar las principales técnicas de preparación de muestras para estudios fractográficos que quedan recogidas en la tabla II y en la figura 3. La elección de una u otra vie­ne condicionada por la rugosidad de la superficie de fractura. iffÄilÄÄ

DIRECTAS O SENCILLAS: Con carbón

INDIRECTAS O DOBLES: De triafol-carbón (Película plástica-carbón)

Î DE EXTRACCIÓN: Con arrastre de muestra pulverizada

Partícula extraída

Triafol

Perfil de la superficie de fractura

Î Triafol

TÉCNICAS DE J DIRECTA

REPLICA DOBLE

-^o-

^ ^ Replica de C

Segunda etapa de la réplica

Fig. 3.—Tipos de réplicas que pueden realizarse para el estudio de una fractura por microscopía electrónica de transmisión.

La réplica de extracción combinada con la microdifrac-ción electrónica puede ser muy útil en determinados casos para interpretar mejor la superficie de fractura, ya que per­mite incluso la identificación de fases cristalinas en una zo­na determinada. En la figura 4 se presenta un ejemplo en el que se identifica el disilicato de litio en una fractura de un material vitrocristalino de óxido de litio y sílice gracias a la difracción de electrones realizada en cristales extraídos de la muestra.

3.4. Microscopía electrónica de barrido (MEB)

Es uno de los instrumentos más interesantes hoy en día para obtener imágenes de la fractura de los materiales, pues combina en un mismo aparato las ventajas de la lupa bino­cular, incluso mejorando su poder de profundidad de cam-

ifeiíDAia

Fig. 4.—a) Cristales arrastrados de disilicato de litio en la fractura de un material vitrocerámico de 27U2O • 73 SÍO2 (% peso) (micrografia de MET por réplica), b) Fractografia (MEB, mostrando los haces cristalinos de un esfrrolito de disilicato de litio obtenido en un vitrocerámico semejante al anterior pero nucleado con Mn02 (^l asterisco indica el centro del esfr­

rolito).

po, y los elevados aumentos propios de la microscopía electrónica.

En la figura 5 se representan las señales que se obtienen cuando un haz de electrones incide sobre un material. To­das estas señales se producen en un microscopio electrónico de barrido pero su empleo para obtener información acerca de la muestra depende de los detectores de que se disponga. En su funcionamiento normal el MEB emplea los electrones secundarios, que se extraen de la zona más superficial de la muestra, para formar una imagen. Se pueden así lograr aumentar una muestra desde 20 hasta 200.000 aumentos y con una profundidad de campo que ningún instrumento puede lograr. Las profundidades a las que se obtienen las distintas señales son:

• 50 Acón electrones secundarios. • 1.500 Â aproximadamente con electrones retrodisper-

sados. • 5.000 Â con la emisión de rayos X.

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Fractografía de vidrios y materiales vitrocerámicos

Haz de electrones incidentes

Emisor de [Catociolunninis-cencía

EDX Emisión de Rovos X

Difrooción de psedü kikuchi

e. Auger

ë. Retrodisper-sados

e. Secundarios

Muestra V/////7////A

MET e. transmitidos! ë. absorbidos

Fig. 5.—Señales que se obtienen en un microscopio electrónico de barrido al incidir un haz de electrones sobre la superficie defi-actura de un mate­

rial cerámico o de un vidrio.

Los electrones Auger se obtienen a niveles aún más su­perficiales, de unos 10 Â. En la gráfica de la figura 6 se com­paran las principales características de los tres tipos de microscopía: óptica, electrónica de tansmisión y electróni­ca de barrido, que son las de uso más frecuente en estudios fractográficos.

Maillard (9) ha comparado las dos técnicas de microsco­pía electrónica en una fractura frágil de cementita y en otra dúctil de perlita marcando la orientación con el microscopio electrónico de transmisión y observando la misma zona en el de barrido. En la figura 12 de este trabajo se recogen es­tas observaciones y se comprueba que los resultados con am-

Resolución (A)

o E o

*o 0.

\ \& W \& 10 \ . MEB

-102 \

M.Optica \ .

rio "^ X 1 *̂ N.

"^0 ip2 X l t f IO^ÍMEX I i 1 1 1 1 n i 1 1 1 1 1 I I i | 1 ^ l i l i l í Ji 1 1 1 1 i n

Aumentos

Fig. 6.—Comparación de los parámetros característicos de la microsco­pía óptica (MO) y de las microscopías electrónicas de transmisión (MET)

y de barrido (MEB).

bas técnicas son semejantes. Maillard (9) recomienda el uso conjunto de ambas técnicas, pero aún así la facilidad de pre­paración de muestras para la microscopía electrónica de ba­rrido (una simple metalización de la superficie) la hace preferible en muchos casos a la de transmisión para el estu­dio de superficies de fractura.

Con el MEB se pueden llegar u obtener curvas de nivel e incluso información exacta de los poros, su tamaño y dis­tribución (10). El hecho de la falta de contraste en determi­nadas zonas de una fractura puede hacer aconsejable el empleo de dos detectores actuando conjuntamente o estéreo-pares para mejorar el contraste. Corvin y Johari (11) han estudiado la influencia de la topografía en el contraste.

En determinados casos la emisión de electrones retrodis-persados (o de backscattered) puede ser útil para localizar la distribución de ciertos elementos en una superficie de frac­tura. Con un ángulo bajo de incidencia y con bajos voltajes es posible diferenciar elementos dos a dos. Se han realizado ensayos con Al, Cr, Ni, Cu, Ag, Sn, Au y Pb según los án­gulos de incidencia, obteniéndose contraste por ejemplo en­tre plata y níquel, elementos con número atómico muy diferente, 47 y 28 o entre plata y estaño con números atómi­cos más cercanos, 47 y 50 (12).

La señal de rayos X emitidos por la muestra al incidir el haz de electrones en la columna del MEB, puede recogerse con un cristal analizador o con un detector de estado sólido de energías dispersivas. Ambos sistemas permiten analizar los elementos que contiene la muestra. El más adecuado pa­ra estudios fractográficos es el segundo, o también llamado sistema EDX (análisis de rayos X por dispersión de ener­gías); ya que con estos detectores no es preciso que la muestra esté pulida. Se pueden analizar elementos químicos desde el Na (Z = 11) o incluso desde el B (Z=5) con los detectores de ventana ultrafina. El área analizada es inferior a las 1 pm. de diámetro y su profundidad de análisis es menor de 1 pm.

3.5. Espectroscopia Auger

Esta es otra técnica que puede ser muy útil para interpre­tar mejor las superficies de fractura. Esta técnica permite estudiar variaciones locales de composición cerca de la su­perficie fracturada y es más adecuada para analizar elemen­tos ligeros como el boro, carbono, nitrógeno, oxígeno y azufre; pues en estos elementos es más probable la transi­ción de electrones Auger. En esta técnica el haz tiene un diá­metro de lO/im y los electrones Auger se producen en una capa de 1 ̂ m por debajo de la superficie. Estos electrones poseen también un espectro de energías característico como en el caso de los rayos X detectados por energías dispersivas.

La espectroscopia Auger es muy adecuada para estudiar impurezas localizadas en interfases de bordes de grano co­mo por ejemplo de una alúmina fracturada (5). Para evitar la absorción química de fases del medio ambiente que en­mascararían los resultados de la fractura, ésta debe realizar­se en el mismo sistema de ultravacío del aparato. Este dispositivo existe comercialmente y se ha empleado para de­tectar impurezas en interfases de aceros.

3.6. Microscopía electrónica de fotoemisión

Esta técnica permite también estudiar y analizar en cilin­dros de 1 mm de diámetro y 5 mm de altura fracturas some-

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tidas a altas temperaturas. Así, Duchateau (13) da la fi*actura de un vidrio de borosilicato con separación de fases obteni­da a 300°C sin tratamiento de pulido. La fractura se propa­ga rodeando los islotes que emergen del relieve. Asimismo, superficies de fractura obtenidas en nuestro laboratorio en un material vitrocristalino del sistema LÍ20-MgO-AI2O3-SÍO2 y conteniendo un 12% de TÍO2 (14) se han es­tudiado por esta técnica. También aquí parece que la textu­ra de la fractura rodea a los granos cristalinos de espodumena (figura 7).

Fig. 1 .—Micrografia de fotoemisión de la superficie de fractura de un ma­terial vitrocerámico de LÍ20-MgO-Al20^-Si02 conteniendo un 12% de

TÍO2. Según (14).

3.7. Microscopía de emisión acústica

Gericke (15) ha empleado esta técnica de emisión acústi­ca para obtener imágenes ultrasónicas de grietas. Aunque no son estudios fractográficos propiamente dichos; sin em­bargo, se pueden contemplar dentro del campo de la fracto-grafía ya que los análisis con esta técnica están directamente relacionados con la fractura de los materiales.

4. FRACTOGRAFIA EN VIDRIOS

Fig. S.—Diferentes zonas que se observan en lafractografla de una varilla de vidrio (19).

Se ha observado experimentalmente, además, que en vidrios, cristales iónicos y materiales cerámicos no homogéneos, se cumple que: el radio de la zona espejo r y la tensión de frac­tura agestan relacionados mediante una ecuación definida empíricamente por:

A = (7fri/2 m siendo A una constante denominada «constante espejo» (17).

Hasta la fecha no se ha encontrado ninguna explicación satisfactoria a esta relación, aunque en fibras de vidrio es en donde más se ha intentado ampliar el conocimiento sobre esta expresión física e incluso obtener otras diferentes. A pesar de que las distintas zonas que se presentan en la su­perficie de fractura no aparecen como líneas exactas, los va­lores de la «constante de espejo» obtenidas por diferentes laboratorios son muy similares tal y como aparecen en la tabla III.

Cuando en un vidrio se propaga una grieta bajo tensiones relativamente bajas la energía elástica liberada aumenta, de­bido a tensiones altas; produciéndose una superficie de frac­tura más rugosa con aumento de las ramificaciones o estrías de la misma.

Cuando un vidrio se fractura debido a un esfuerzo de trac­ción, se pueden observar tres zonas perfectamente delimita­das en la superficie de fractura (figura 8):

— Zona de espejo (mirror). — Zona de niebla (mist). — Zona de estrías (hackle).

Estas zonas o fronteras se presentan también en la super­ficie de fractura de materiales muy sinterizados. Estos tipos de fracturas suelen ser concoideas y muy semejantes entre sí (16).

La zona de espejo es lisa y brillante, aunque si la tensión de rotura es muy grande puede llegar a ser algo nebulosa.

TABLA III

CONSTANTES ESPEJO DE FRACTURA PARA VIDRIOS SODOCALCICOS

(MPa/m^̂ )̂

Fronteras Espejo-Niebla

1.7 1.7 1.9 1.9

(Abdel-Latif y col., 1977) (Bausal y Duckworth, 1977) (Mecholsky y col., 1976) (Johnson y Hollo way, 1966)

Frontera Niebla-Estrías

2.0 2.1

(Kirchner y Gruwer, 1979) (Mecholsky y col., 1976)

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Fractografía de vidrios y materiales vitrocerámicos

En un trabajo publicado recientemente (18) se hace un es­tudio comparativo de los distintos métodos empleados para el análisis de la zona de espejo, de donde se deduce que la estimación de la tensión de fractura a partir del radio-espejo da resultados razonables y que las diferencias entre méto­dos, uno basado en una relación empírica y otro en meca­nismos de fractura no presentan grandes diferencias.

A pesar de estas consideraciones, la zona de espejo puede dar valiosas informaciones sobre la fractura. Así, la posi­ción de la zona de espejo indica el origen de la fractura. La forma nos da idea de la distribución de tensiones. El tamaño nos indica la magnitud de la tensión que generó la fractura y la distribución de esta zona respecto de las demás, nos in­dica que normalmente las grietas que provocan la fractura están invariablemente en la superficie del material. También esta zona es útil para identificar grietas debidas a inclusio­nes (19).

En la figura 9 se presenta un esquema de dos fracturas en vidrios, recogida del libro de Holoway (19) según el tipo y zona de la probeta donde se provoca la fractura. Se obser­va que cuando la fractura se produce por tracción la zona especular es menor que cuando la probeta se rompe por flexión.

ORIGEN DE LA FRACTURA

FRACTURA POR TENSION

FRACTURA POR FLEXION

Fig. 9.—Tipos más generales de fractografias que pueden observarse en varillas de vidrio (19).

En la zona de espejo se aprecian además ondas longitudi­nales, llamadas «rib» en la bibliografía inglesa, y ondas trans­versales conocidas con el nombre de líneas de Wallner. La forma del frente de ondas es siempre convexa en la direc­ción de propagación de la fractura. En superficies de fractu­ra que se han formado debido a una velocidad de propagación muy lenta de fractura, no aparecen las líneas de Wallner, porque la vibración sónica que las provoca desaparece gra­dualmente. Tampoco pueden ser fácilmente vistas en super­ficies formadas con fracturas muy rápidas ya que se forman superficies tan rugosas que se pierde el detalle de estas lí­neas. Las líneas de Wallner se forman al iniciarse las ondas sónicas en inhomogeneidades, grietas o irregularidades de la superficie que se radian e inteceden con el frente de frac­tura. El mayor interés de estas líneas es que pueden usarse para calcular la velocidad de propagación de la fractura en la zona espejo, aunque el método sólo es aplicable para grie­tas que se producen a una velocidad relativamente lenta y dan zonas de fractura suave.

La zona de niebla está formada por un arco estrecho que rodea a la zona de espejo y su superficie de fractura presen­ta un aspecto rugoso.

Después de la zona de niebla se encuentra la zona de es­trías o zona de fractura propiamente dicha. Está formada por dos tipos de líneas, que corresponden a la interacción con defectos del material de las dos ondas de propagación: la transversal y la longitudinal. Por un lado tenemos las líneas radiales que parten de la zona de niebla (mist) y siguen pa­ralelamente a la dirección de propagación, y por otro lado, se observan una sucesión de ondas de fractura. Más allá de esta zona se suelen desprender fragmentos pequeños. Si la tensión es elevada, las zonas de niebla y estrías se forman cerca del origen de la fractura.

En la figura 10 se presenta una micrografía de fractura obtenida por Rincón de una esquirla de un vidrio industrial que contenía devitrificaciones de cristobalita y tridimita. En la misma se aprecian las zonas de fractura que se observan en varillas de vidrio. Pero estas fracturas no son exclusivas de varillas. Frechette (20), rompiendo diversos tipos de bo­tellas de diferente capacidad, ha tratado de relacionar la ten­sión de rotura de las botellas con el tamaño de la zona especular. Sólo para una capacidad determinada, y en con­creto la menor de las ensayadas, la relación era lineal para la tensión de rotura frente a la anchura de la zona especular. La tensión de rotura y el número de ramificaciones o bifur­caciones también se ha relacionado en este trabajo, obser­vándose que se aproximaba a una relación lineal para todas las botellas ensayadas.

El análisis de la superficie de fractura constituye una de las técnicas de la mecánica de fractura. Es el método más directo de medida del tamaño y geometría de la grieta. El factor de intensidad de tensiones viene dado por:

Kic = a Y V ^ [3]

Fig. 10.—Fractograßa de una esquirla de un vidrio industrial (observada por MEB) mostrando la diferente topografia de la superficie de fi-actura.

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siendo Y un parámetro geométrico y c el tamaño crítico de la grieta.

Igualando [2] y [3] se obtiene:

= Y K,

[4]

Asimismo, Kronh y Hasselman (21) obtuvieron una rela­ción entre r y c que viene dada por la expresión:

c=0.1 r

y McKinney (22) partiendo de que r=c y sustituyendo en la ecuación anterior obtuvo la relación:

A=0.80 KTP

5. FRACTOGRAFIA DE MATERIALES VITROCERAMICOS

Los materiales vitrocerámicos abarcan una gama de ma­teriales que en realidad son polifásicos e incluso polivítreos. Desde el vidrio parcialmente cristalizado que contiene una pequeñísima corteza de desvitrificación al material vitrocris-talino o vitrocerámico con un elevado contenido de fase cris­talina, existe una amplia gama de texturas de fractura; por tanto, su interpretación es difícil, ya que las fases cristali­nas obtenidas por cristalización controlada de vidrios pre­sentan muchos defectos y falta de estequiometría, y están muy lejos de ser cristales como los obtenidos en materiales cerámicos de fase sencilla. Si a este problema se le une el hecho de existir una fase vitrea residual muy tensionada, se comprende que apenas se encuentren trabajos en los que se considere la fractografía de los materiales vitrocerámicos.

A continuación se hacen una serie de consideraciones so­bre el tema basándose en micrografías de fracturas obteni­das y analizadas en nuestros laboratorios.

Un efecto que aún no ha sido muy estudiado es el de la influencia de las gotas de inmiscibilidad líquido-líquido en la fractura de vidrios con separación de fases. De hecho, Da-vidge (23) ha estudiado cómo se produce la fractura en un material compuesto de vidrio y esferas de thoria. Cuando el coeficiente de dilatación del vidrio es semejante al de las esferas de thoria, la línea de fractura atraviesa las esferas y, sin embargo, cuando el coeficiente de dilatación de la ma­triz es menor que el de las esferas de la thoria, la línea de fractura bordea las mismas. Nunca una fractura de un vi­drio con separación de fases atraviesa las esferas o gotas de inmiscibilidad. Las gotas aparecen siempre sin fracturar co­mo crestas o como valles en relieve debido al ataque quími­co a que se suelen someter las muestras para obtener las micrografías. Lo que sí es muy frecuente en materiales vi-trocristalinos es observar fracturas de cristales con gotas de separación provenientes de la fase vitrea. En un material vi­trocerámico la microestructura es un factor determinante del aspecto de la fractografía. Así, la fractura de un material vi­trocerámico de grano fino del sistema LÍ2O-SÍO2 con adi­ciones de ZnO, P2O5, K2O y AI2O3 rompe con segmentación de grietas producidas por las diversas fases. Según Hing (24) la fractura de un material vitrocerámico de grano fino no varía mucho respecto de uno de grano medio, aunque el modo de fractura sea diferente.

En un vitrocerámico la orientación y la forma de los cris­

tales es un factor decisivo en la forma de la fractura. Así, se ha visto en materiales de mica fluorflogopita (25), en los que se ha visualizado la fractura por microscopía electróni­ca de transmisión que, una grieta para propagarse en la in-terfase entre los cristalitos de mica y la fase vitrea tiene que hacer un recorrido tan sinuoso que la resistencia mecánica de estos materiales es elevada. En estos vitrocerámicos un aumento de la energía superficial de fractura mayor que en el vidrio ordinario o que en un vitrocerámico de espodume-na tipo 9608 conduce a una elevada resistencia al choque térmico.

En la figura 11 se han recogido algunas de las fracturas obtenidas por MEB de algunos materiales del sistema LÍ2O-

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Fig. 1 l.—Fractograßas de los materiales vitrocerámicos de LÍ2O-SÍO2 mos­trando la textura cristalina esferolítica y una superficie o «concha» de cris­talización: a) vidrio departida conteniendo 27% peso de LÍ2O, y b) vidrio

de partida conteniendo 33,3% peso de LÍ2O.

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Fractografía de vidrios y materiales vitrocerámicos

SÍO2 (26). En la misma se observan diferencias al aumen­tar el contenido de LÍ2O del vidrio de partida. Esto es de­bido a la mayor cristalización del material obtenido. Para temperaturas en que la cristalización es masiva se observan planos de clivaje en escalones y cristalizaciones estrelladas o esferolíticas de disilicato de litio.

El estudio de fracturas por MEB nos permite, además, ob­servar perfectamente la corteza de desvitrificación que se pro­duce en estos materiales y cómo el espesor de la misma aumenta con el contenido en óxido de litio. La cristaliza­ción en fibrillas interconectadas en la composición más cer­cana a la estequiometría del disilicato de litio —la que contiene 34% mol—, así como la cristalización superficial de grandes cristales de este compuesto perpendiculares a la superficie tienen un efecto catastrófico sobre la resistencia mecánica de este material (figura 12).

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Fig. 12.—Fractografia obtenida por MEB de la «concha» o capa superfi­cial de cristalización de un material vitrocerámico de composición 27 LÍ2O • 73 SÍO2 (% peso) obtenido por un tratamiento térmico a 650°C du­

rante 2 horas.

La figura 13 muestra que, a bajas temperaturas de crista­lización, se presentan unos recintos ovalados difíciles de ex­plicar, que son semejantes a los que se observan en una fractura dúctil de metales y que podrían corresponder a zo­nas o recintos de precristalización. A temperaturas elevadas se observan fracturas de clivaje de cristales de disilicato de litio.

En la figura 14 se han recogido algunas de las fracturas obtenidas en materiales vitrocristalinos del sistema óxido de litio, óxido de cadmio y sílice sometidos a tratamientos tér­micos a baja temperatura en las que vuelven a observar muy claramente la presencia de recintos redondeados o poligo­nales que contienen pequeños cristalitos de disilicato de li­tio (figura 14a). Del análisis fractográfico se deduce que existen microáreas localizadas del vidrio de partida que han sufrido un ligero reblandecimiento, favorecido al mismo tiempo por una bajada local de la viscosidad lo que facilita

Fig. 13.—Superficie defi-actura obtenida por MEB en réplica de un vidrio de composición 33,3 LÍ2O • 66,6 SÍO2 (% peso) tratado térmicamente a

650°C durante 10 minutos.

Fig. 14.—a) Superficie de fractura obtenida por MET en réplica de un vi­drio de composición 10 LÍ2O • 30 CdO • 60 SÍO2 (% peso) en sus prime­ras etapas de cristalización, tratado térmicamente a 650°C durante 10 minutos, b) Fractografia obtenida por MEB del mismo vidrio totalmente

cristalizado por un tratamiento térmico a 650°C durante 2 horas.

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J. M? RINCÓN. P. CALLEJAS, F. CAPEL

la nucleación y formación de gérmenes cristalinos (27). La figura 14b muestra la fractura del material vitrocerámico ob­tenido por tratamiento térmico a 650 °C durante 2 horas del mismo vidrio de partida. Se observan escalones de fractura de cristales clivados de disilicato de litio junto a áreas de fase vitrea residual.

6. CONSIDERACIONES FINALES

En la revisión aquí efectuada se han recogido las fichas de numerosas fracturas realizadas en plásticos, metales y en materiales cerámicos de óxidos, de carburos y nitruros con objeto de ver qué semejanzas podrían existir entre estos ti­pos de fractura y la de los vidrios y materiales vitrocerámi-cos. Así, por ejemplo, la fractura de una fibra de nylon presenta zonas muy parecidas a las que aparecen en la frac­tura de una fibra de vidrio y que, además, se denominan con el mismo nombre, lo que indica una semejanza estructural entre los vidrios y los materiales plásticos (28).

En la actualidad, como ya se ha comentado en este traba­jo, se disponen de técnicas como la microscopía electrónica de barrido con microanálisis que facilitan en gran medida el estudio y análisis de la fractura de los materiales cerámi­cos y vitreos.

En revistas y simposios internacionales se habla de Cera-mografía como campo de investigación que incluye también la visualización de microestructuras cerámicas. Asimismo existe un subcomité de la ASTM que está dedicado a fracto-grafía, ya que la metodología para el estudio y análisis frac-tográfico requiere de unas normas o reglas que indiquen las condiciones en que se ha hecho la fractura.

A pesar de la importancia que tiene el análisis fractográfi-co en el estudio y caracterización de materiales, dicho aná­lisis no está suficientemente desarrollado; existiendo, por tanto, un amplio campo de investigación en este área.

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PUBLICACIONES EDITADAS POR LA SOCIEDAD ESPAÑOLA DE CERÁMICA Y VIDRIO

Materiales Refractarios y Siderurgia (Jornadas de Arganda del Rey, 4-5 mayo 1984

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materiales refractarios en la industria siderúrgica. D. Ernesto Badía Atucha, Jefe de obras y refrac­tarios de Altos Hornos de Vizcaya, y D. Ignacio Larburu Ereño: Refractarios para hornos altos en AHV. D. Gabino de Lorenzo y D. Francisco Egea Molina: Revestimientos refractarios en Horno Alto de EN SI D ESA. D. Jesús María Valerio, de S.A. Echevarría: Cucharas de tratamiento secundario de acero. D. Jesús Valera, ENSIDESA-Veriña: Evolución de la duración de revestimientos en las acerías de ENSIDESA. D. J.A. Pérez Romualdo, Jefe de Colada Conti­nua de Altos Hornos del Mediterráneo: Refracta­rios en cucharas de acero y colada continua de slabs.

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tarios en el Instituto de Cerámica y Vidrio. Prof. Dr. Salvador de Aza, Director del ICV: El Instituto de Cerámica y Vidrio. Estructura y objetivos. D. Emilio Criado Herrero: El sector español de refractarios y la industria siderúrgica. Evolución y perspectivas. Dr. Francisco José Valle Fuentes: Tendencias en el análisis de materiales refractarios. Dr. Serafín Moya Corral: Materiales cerámicos tenaces basados en mullita-circón. Dra. Pilar Pena Castro: Materiales refractarios basados en circón. D. Angel Caballero Cuesta: Evolución de las propiedades refractarias y termomecánicas de las bauxitas. Dr. Rafael MdiVÚntzCacQVQ%'. Cementos refracta­rios.

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