1. Stress termico durante il raffreddamento (causa primaria)
Il quarzo fuso genera stress in condizioni di temperatura non uniforme. A qualsiasi temperatura, la struttura atomica del quarzo fuso raggiunge una configurazione spaziale relativamente "ottimale". Al variare della temperatura, la spaziatura atomica si modifica di conseguenza, un fenomeno comunemente noto come dilatazione termica. Quando il quarzo fuso viene riscaldato o raffreddato in modo non uniforme, si verifica un'espansione non uniforme.
Lo stress termico si verifica tipicamente quando le regioni più calde tentano di espandersi, ma sono vincolate dalle zone circostanti più fredde. Questo crea uno stress da compressione, che solitamente non causa danni. Se la temperatura è sufficientemente elevata da ammorbidire il vetro, lo stress può essere alleviato. Tuttavia, se la velocità di raffreddamento è troppo elevata, la viscosità aumenta rapidamente e la struttura atomica interna non riesce ad adattarsi in tempo alla diminuzione di temperatura. Ciò si traduce in stress da trazione, che ha molte più probabilità di causare fratture o rotture.
Tale stress si intensifica con il diminuire della temperatura, raggiungendo livelli elevati al termine del processo di raffreddamento. La temperatura alla quale il vetro di quarzo raggiunge una viscosità superiore a 10^4,6 poise è definitapunto di deformazioneA questo punto, la viscosità del materiale è così elevata che lo stress interno rimane di fatto bloccato e non può più dissiparsi.
2. Stress da transizione di fase e rilassamento strutturale
Rilassamento strutturale metastabile:
Allo stato fuso, il quarzo fuso presenta una disposizione atomica altamente disordinata. Raffreddandosi, gli atomi tendono a rilassarsi verso una configurazione più stabile. Tuttavia, l'elevata viscosità dello stato vetroso ostacola il movimento degli atomi, dando origine a una struttura interna metastabile e generando stress di rilassamento. Nel tempo, questo stress può essere lentamente rilasciato, un fenomeno noto comeinvecchiamento del vetro.
Tendenza alla cristallizzazione:
Se il quarzo fuso viene mantenuto entro determinati intervalli di temperatura (ad esempio, vicino alla temperatura di cristallizzazione) per periodi prolungati, può verificarsi una microcristallizzazione, ad esempio la precipitazione di microcristalli di cristobalite. La discrepanza volumetrica tra le fasi cristallina e amorfa creastress di transizione di fase.
3. Carico meccanico e forza esterna
1. Stress da elaborazione:
Le forze meccaniche applicate durante il taglio, la molatura o la lucidatura possono causare distorsioni del reticolo superficiale e stress di lavorazione. Ad esempio, durante il taglio con una mola, il calore localizzato e la pressione meccanica sul bordo inducono una concentrazione di stress. Tecniche improprie di foratura o scanalatura possono portare a concentrazioni di stress in corrispondenza degli intagli, che fungono da punti di innesco delle cricche.
2. Stress dovuto alle condizioni di servizio:
Quando utilizzato come materiale strutturale, il quarzo fuso può subire sollecitazioni su larga scala dovute a carichi meccanici come pressione o flessione. Ad esempio, gli oggetti in vetro di quarzo possono sviluppare sollecitazioni di flessione quando contengono oggetti pesanti.
4. Shock termico e rapide fluttuazioni di temperatura
1. Stress istantaneo da riscaldamento/raffreddamento rapido:
Sebbene il quarzo fuso abbia un coefficiente di dilatazione termica molto basso (~0,5×10⁻⁶/°C), rapidi sbalzi di temperatura (ad esempio, riscaldamento da temperatura ambiente a temperature elevate o immersione in acqua ghiacciata) possono comunque causare forti gradienti di temperatura locali. Questi gradienti provocano un'improvvisa espansione o contrazione termica, producendo stress termico istantaneo. Un esempio comune è la fratturazione del quarzo da laboratorio dovuta a shock termico.
2. Fatica termica ciclica:
Se esposto a ripetute fluttuazioni di temperatura a lungo termine, come nei rivestimenti dei forni o nelle finestre di visualizzazione ad alta temperatura, il quarzo fuso subisce cicli di espansione e contrazione. Ciò porta all'accumulo di stress da fatica, accelerando l'invecchiamento e aumentando il rischio di cricche.
5. Stress indotto chimicamente
1. Corrosione e stress da dissoluzione:
Quando il quarzo fuso entra in contatto con soluzioni fortemente alcaline (ad esempio, NaOH) o gas acidi ad alta temperatura (ad esempio, HF), si verificano corrosione superficiale e dissoluzione. Ciò compromette l'uniformità strutturale e induce stress chimico. Ad esempio, la corrosione alcalina può portare a variazioni di volume superficiale o alla formazione di microfratture.
2. Stress indotto da malattie cardiovascolari:
I processi di deposizione chimica da vapore (CVD) che depositano rivestimenti (ad esempio, SiC) su quarzo fuso possono introdurre stress interfacciali dovuti a differenze nei coefficienti di dilatazione termica o nei moduli elastici tra i due materiali. Durante il raffreddamento, questo stress può causare delaminazione o fessurazione del rivestimento o del substrato.
6. Difetti interni e impurità
1. Bolle e inclusioni:
Bolle di gas residue o impurità (ad esempio, ioni metallici o particelle non fuse) introdotte durante la fusione possono fungere da concentratori di stress. Le differenze di dilatazione termica o elasticità tra queste inclusioni e la matrice vetrosa creano stress interni localizzati. Le crepe spesso si formano ai bordi di queste imperfezioni.
2. Microfessure e difetti strutturali:
Impurità o difetti presenti nella materia prima o derivanti dal processo di fusione possono causare microcricche interne. Sotto carichi meccanici o cicli termici, la concentrazione di stress all'apice delle cricche può favorirne la propagazione, riducendo l'integrità del materiale.
Data di pubblicazione: 04-07-2025