Crack Arrest and Multiple Cracking in Glass Through the Use of Designed Residual Stress Profiles

Abstract

A processing approach has been identified and reduced to practice in which a residual stress profile can be designed such that cracks in a brittle material are arrested or grow in a stable manner. In the approach, cracks in the body encounter an increase in the magnitude of residual compression as the crack propagates. If correctly designed, the process increases strength and significantly decreases strength variability. This approach was demonstrated for a silicate glass, and multiple cracking was observed as a forewarning of the final failure. Normally, such glasses would fail catastrophically with the propagation of a dominant crack.

Dielétrico de vidro de elevada confiabilidade mecânica e termomecânica produzido por têmpera de dois estágios (têmpera térmica + troca iônica)

“…Os tratamentos multi-estágios têm sido propostos para resultar em um perfil de tensão residual controlado (engineered stress profile), com o valor de máxima tensão de compressão deslocado a uma determinada profundidade da superfície. Isto dificulta o crescimento da trinca na região superficial, pois à medida que a trinca avança aumenta-se o nível de tensão de compressão na ponta da mesma [17,18]. Green et al [18] aplicaram o tratamento de têmpera por troca iônica de dois estágios em um vidro de alumino-silicato sódico, onde a primeira troca foi realizada em um banho de KNO 3 por 24 h a 500°C, para incorporação de K + do banho em substituição ao Na + do vidro, e a segunda troca foi realizada em um banho de sal contendo 30% em mol de NaNO 3 e 70% em mol de KNO 3 por 30 min a 400°C, para remoção parcial de K + introduzido na primeira troca no vidro por Na + do banho.…”

“…Isto dificulta o crescimento da trinca na região superficial, pois à medida que a trinca avança aumenta-se o nível de tensão de compressão na ponta da mesma [17,18]. Green et al [18] aplicaram o tratamento de têmpera por troca iônica de dois estágios em um vidro de alumino-silicato sódico, onde a primeira troca foi realizada em um banho de KNO 3 por 24 h a 500°C, para incorporação de K + do banho em substituição ao Na + do vidro, e a segunda troca foi realizada em um banho de sal contendo 30% em mol de NaNO 3 e 70% em mol de KNO 3 por 30 min a 400°C, para remoção parcial de K + introduzido na primeira troca no vidro por Na + do banho. Este tratamento resultou no perfil de tensão de compressão crescente a partir da superfície até um valor máximo na profundidade de ~25 µm, que em seguida diminuiu com o aumento da distância da superfície.…”

“…Além disso, o vidro tratado por troca iônica de dois estágios, quando solicitado em flexão, apresentou formação de múltiplas trincas superficiais (da largura da chapa), mas de pequena profundidade, na face submetida à tensão de tração, antes da ocorrência da fratura final. Estes resultados mostraram que o controle do perfil de tensão residual de compressão possibilita o arresto e o crescimento estável de trincas superficiais de diferentes tamanhos, quando o vidro é submetido a carregamentos crescentes, sendo que a fratura ocorre em um valor de tensão (e comprimento de trinca) aproximadamente constante, independente do tamanho inicial do defeito, minimizando a variabilidade da resistência mecânica [18]. O perfil crescente de tensão residual de compressão equivale a um perfil de aumento da tenacidade à fratura aparente, isto é equivalente ao comportamento de curva R crescente [19,20].…”

Characterization of residual compressive stresses in layered ceramics by positron annihilation spectroscopy

“…The stress field in the laminates can be appropriately controlled designing the thickness, composition and sequence of the layers. [14][15][16] It has been proved that compressive stresses on surface layers may improve mechanical strength and increase the fracture toughness, as the state of compression is able to impede surface cracking. 15,17,18 On the other hand, if compressive residual stresses are induced in the inner layers, tolerance to damage and, therefore, reliability are promoted.…”

“…[14][15][16] It has been proved that compressive stresses on surface layers may improve mechanical strength and increase the fracture toughness, as the state of compression is able to impede surface cracking. 15,17,18 On the other hand, if compressive residual stresses are induced in the inner layers, tolerance to damage and, therefore, reliability are promoted. 14,19 In the present study laminated samples were properly tailored with a symmetric structure, i.e.…”