Nanoindentação em vitrocerâmicas de dissilicato de Lítio-Fractografia e propriedades mecânicas

Abstract

Resumo: Vitrocerâmicas são obtidas a partir da cristalização controlada de vidros e apresentam características diferentes do vidro original. Neste trabalho são apresentados estudos de propriedades mecânicas e processos de fratura em materiais vítreos e vitrocerâmicos de dissilicato de lítio (Li2O-SiO2), obtidos pelo emprego de ensaios mecânicos de nanoindentação. As temperaturas utilizadas nos tratamentos térmicos foram de 454 °C e 610 °C para nucleação e crescimento de cristais respectivamente. As propriedades mecânicas das vitrocerâmicas apresentaram variação em relação à fração cristalina superficial. A dureza e o módulo elástico foram obtidos por nanoindentação utilizando um penetrador do tipo Berkovich. O vidro LS2 apresentou dureza e módulo elástico de 5,8 ± 0,5 GPa e 78 ± 2 GPa respectivamente. E a vitrocerâmica totalmente cristalina apresentou dureza de 8,0 ± 0,6 GPa e módulo elástico de 83 ± 6 GPa. A tenacidade a fratura e os processos de fratura foram analisados por nanoindentação utilizando duas pontas com geometrias diferentes: Canto de cubo e um penetrador com quatro faces, cujo ângulo formado entre o eixo da pirâmide com as faces é igual ao ângulo da ponta Canto de Cubo. O método das trincas radiais foi utilizado para o cálculo da tenacidade a fratura e dois modelos foram empregados: Lawn e Niihara. Foi verificado um aumento no valor da tenacidade à fratura em relação à fração cristalina utilizando a ponta Canto de Cubo e o modelo desenvolvido por Lawn. O vidro LS2 e a vitrocerâmica totalmente cristalina apresentaram tenacidade a fratura de 0,5 ± 0,1 MPa.m1/2 e 1,6 ± 0,4 MPa.m1/2 respectivamente. Foi possível calcular a tenacidade a fratura apenas do vidro LS2 e da vitrocerâmica parcialmente cristalina devido a distribuição de tensões durante o teste de nanoindentação pela ponta de quatro faces. Os valores da tenacidade à fratura para o vidro LS2 encontrados utilizando a ponta de quatro faces e os modelos de Lawn e Niihara foram de 0,78 ± 0,1 MPa.m1/2 e 0,80 ± 0,1 MPa. m1/2. E a vitrocerâmica parcialmente cristalina apresentou tenacidade à fratura de 0,76 ± 0,1 MPa.m1/2 para os dois modelos utilizados.

Abstract: Glass-ceramics are obtained from controlled crystallization of glass and have different characteristics of the original glass. This paper presents studies of mechanical properties and fracture processes in glass-ceramic and glassy materials of lithium disilicate (Li2O-SiO2), obtained by mechanical testing of nanoindentation. The temperatures used in heat treatments were 454 °C and 610 °C for nucleation and crystal growth, respectively. The mechanical properties of glass ceramics showed variation in relation to the crystalline material surface. The hardness and elastic modulus were obtained by nanoindentation using a Berkovich indenter type. Glass LS2 presented hardness and elastic modulus of 5.8 ± 0,5 GPa and 78 ± 2 GPa respectively. And the crystal clear glass ceramics showed hardness of 8.0 ± 0,6 GPa and modulus of 83 ± 6 GPa. The fracture toughness and fracture processes were studied by nanoindentation using two tips with different geometries: a cube corner indenter and a tip with four-sided, whose angle between the axis of the pyramid with the faces equals the angle of the tip Corner Cube. The method of radial cracks was used to calculate the fracture toughness and two models were employed: Lawn and Niihara. There was an increase in the value of fracture toughness in relation to the crystalline material using the tip of the corner cube and the model developed by Lawn. The glass ceramic and crystal clear LS2 showed fracture toughness of 0.5 ± 0,1 and 1.6 ± 0,4 MPa.m1/2 respectively. It was possible to calculate the fracture toughness of only glass and ceramic LS2 partially crystalline due to distribution stress during the test by nanoindentation tip with four faces. The values of fracture toughness for glass LS2 found using the tip and sides of four models of Lawn and Niihara were 0.78 ± 0,1 and 0.80 ± 0,1 MPa.m1/2. And the partially crystalline glass ceramics showed the fracture toughness of 0.76 ± 0,1 MPa.m1/2 for the two models used.