Crack growth and internal friction in oxide glasses

Waurischk, Tina, M.

doi:10.21268/20240807-0

published

Crack growth and internal friction in oxide glasses

German
English

Die praktische Festigkeit von Glas ist durch die Präsenz von Oberflächendefekten und -rissen limitiert. Dies äußert sich auch in einer geringen Bruchzähigkeit < 1 MPa m0.5. Hierbei ist der Einfluss von strukturell gelöstem Wasser nur unzureichend verstanden. Das Ziel dieser kumulativen Dissertation ist daher, das Risswachstumsverhalten von wasserfreien sowie wasserhaltigen Gläsern in Luft und Vakuum zu untersuchen, um die Einflüsse ihrer Zusammensetzung auf das mechanische Verhalten an der Rissspitze zu beleuchten, sowie Konstruktionsprinzipien für neue widerstandsfähigere Gläser zu untersuchen.
Hierfür wurden Double Cantilever Beam Experimente mit einer speziell entwickelten Apparatur durchgeführt, die es ermöglicht Risswachstumsgeschwindigkeiten bei unter-schiedlicher Feuchtigkeit und im Vakuum über 10 Größenordnungen zu messen. Für das Risswachstum unter Umgebungsbedingungen (Luftfeuchte) zeigen verschiedene Silicat- und Boratgläser, dass zwar eine große Spannungskorrosionsanfälligkeit mit einer geringen hydrolytischen Beständigkeit korreliert, jedoch ist keine strikte Wechselbeziehung ersichtlich. Stattdessen scheint die Steigung der Risswachstumskurve mit zunehmendem Netzwerk-wandleranteil abzunehmen. Dieser Trend kann einen zugrundeliegenden Energiedissipations-mechanismus während des Wachstums von Spannungskorrosionsrissen widerspiegeln, z.B. den Wassertransport oder Ionenaustauschprozesse in einer rissspitzennahen Region, die wiederum selbst als Ursache für Relaxationsmechanismen bekannt sind. Auch für wasserfreie Gläser konnte keine Korrelation von Glaszusammensetzung, Referenzspannungsintensität KI* und der Steigung der Risswachstumskurve gefunden werden. KI* nimmt jedoch tendenziell mit der atomaren Packungsdichte zu und korreliert grob mit der berechneten intrinsischen Bruchzähigkeit. Hierbei werden Abweichungen vom idealen Sprödverhalten wiederum auf spannungsinduzierte Diffusionsprozesse und Energiedissipation während des Bruchs durch sub-Tg-Relaxationen zurückgeführt. Dagegen zeigen wasserhaltige Gläser im Vakuum im Mittel eine geringere Steigung der Risswachstumskurve, die in mehrere Abschnitte mit unterschiedlicher Steigung unterteilt werden kann, was auf unterschiedliche wasserbezogene Rissausbreitungsmechanismen hinweist. Obwohl das langsame Risswachstum im Vakuum nicht stark durch gelöstes Wasser beeinflusst wird und ähnlich wie beim wasserfreien Glas auftritt, kommt hingegen bei hohen Risswachstumsgeschwindigkeiten eine Verdopplung der Risszähigkeit zutage. Folglich kann gelöstes Wasser als Verfestiger betrachtet werden.

The practical strength of glass is limited by the presence of surface defects and cracks. This is also manifested in low fracture toughness < 1 MPa m0.5. Here, the influence of structurally dissolved water is poorly understood. The aim of this cumulative dissertation is therefore to investigate the crack growth behavior of anhydrous as well as hydrous glasses in air and vacuum in order to shed light on the influences of their composition on the mechanical behavior at the crack tip, as well as to investigate design principles for new more resistant glasses.
For this purpose, double cantilever beam experiments were performed using a specially designed apparatus that allows crack growth rates to be measured over 10 orders of magnitude at varying humidity and in vacuum. For crack growth under ambient conditions (humidity), different silicate and borate glasses show that although a high susceptibility to stress corrosion correlates with a low hydrolytic resistance, no strict correlation is evident. Instead, the slope of the crack growth curve appears to decrease with increasing network transducer content. This trend may reflect an underlying energy dissipation mechanism during stress corrosion crack growth, e.g., water transport or ion exchange processes in a region close to the crack tip, which are themselves known to cause relaxation mechanisms. Also for anhydrous glasses, no correlation of glass composition, reference stress intensity KI* and the slope of the crack growth curve could be found. However, KI* tends to increase with atomic packing density and roughly correlates with the calculated intrinsic fracture toughness. Here, deviations from ideal brittle behavior are again attributed to stress-induced diffusion processes and energy dissipation during fracture due to sub-Tg relaxations. In contrast, water-containing glasses in vacuum show a lower average slope of the crack growth curve, which can be divided into several sections with different slopes, indicating different water-related crack propagation mechanisms. Although slow crack growth in vacuum is not strongly affected by dissolved water and occurs similarly to anhydrous glass, on the other hand, a doubling of crack toughness is revealed at high crack growth rates. Consequently, dissolved water can be considered as a strengthener.