Quantitative Evaluation of Densification and Crack Resistance in Silicate Glasses
Translated title
Kvantitativ Evaluering af Densifikation og Modstand mod Fraktur i Silikatglas
Author
Hermansen, Christian
Term
4. term
Education
Publication year
2011
Submitted on
2011-07-05
Pages
86
Abstract
Denne afhandling undersøger, hvordan simple silikatglas deformerer under en Vickers-indtrykning, og hvordan det hænger sammen med hårdhed og revneinitiering. Vi målte med atomic force microscopy (AFM) de volumener omkring indtrykket, der skyldes fortætning (densificering) og plastisk flow (permanent formændring). Målinger blev udført før og efter udglødning ved 0,9 × glasovergangstemperaturen (Tg) i to timer. Resultaterne viser, at fortætningsvolumenet falder lineært, jo højere bulkmodul (glasets modstand mod ensartet kompression) er. Plastisk flow-volumenet falder med glasets silica-molfraktion og bliver tæt på nul omkring 80 % silica. Hårdhed hænger sammen med de elastiske egenskaber, især skærmodulet (modstand mod formændring), men på trods af de observerede sammenhænge med deformationsvolumenerne kunne vi ikke udvikle en forbedret model til at forudsige hårdhed. Vi forsøgte også at relatere forholdet mellem fortætning og plastisk flow til mål for det frie volumen i glasset (den tilgængelige plads mellem atomernes strukturer), repræsenteret ved Poissons forhold og heliumopløselighed. Der fremkom dog ingen klar sammenhæng med disse egenskaber; i stedet beskrives resultaterne nøjagtigt af forholdet mellem de tidligere nævnte modstande. For nogle glas bestemte vi de laster, hvor de første revner opstår, og estimerede de restspændinger ved disse laster ud fra de ekstrapolerede plastisk flow-volumener. De estimerede spændinger ligger mellem 110 og 470 MPa med en usikkerhed på cirka 70 MPa. Det tyder på, at der ikke findes én enkelt spænding for revneinitiering, selv for simple silikatglas.
This thesis examines how simple silicate glasses deform under a Vickers indent and how that relates to hardness and crack initiation. Using atomic force microscopy (AFM), we measured the volumes around the indent that come from densification (local compaction) and plastic flow (permanent shape change). Measurements were taken before and after annealing at 0.9 × the glass transition temperature (Tg) for two hours. We find that the densified volume decreases linearly as the bulk modulus increases (the glass’s resistance to uniform compression). The plastic flow volume decreases with the silica molar fraction and becomes nearly zero close to 80% silica. Hardness correlates with elastic properties, especially the shear modulus (resistance to shape change), but despite the observed links to deformation volumes, we could not develop an improved model to predict hardness. We also tried to relate the balance between densification and plastic flow to measures of free volume in the glass (the available space within the structure), using Poisson’s ratio and helium solubility. No clear relationship emerged; instead, the results are described well by the ratio of the resistances mentioned above. For some glasses, we measured the loads at which cracks first form and estimated the residual stresses at these loads from extrapolated plastic flow volumes. The estimated stresses range from 110 to 470 MPa with an uncertainty of about 70 MPa. This suggests there is no single stress for crack initiation, even in simple silicates.
[This abstract was generated with the help of AI]
Keywords
Documents