ESTUDO DO TIPO DE FRATURA EM VIDROS PLANOS TEMPERADOS DE ESPESSURA FINA
Philippsen, M. E.; Tomiyama, M.
Maria Elisa Philippsen - E-maI: m_Elisa_philippsen@whirlpool.com Masahiro Tomiyama - E-maI: hiro@joinville.udesc.br
Campus Universitário Prof. Avelino Marcante s/n Bom Retiro Joinville - Santa Catarina - Brasil
CEP- 89223-100
Universidade do Estado de Santa Catarina-UDESC- CCT-DEM
RESUMO
O vidro temperado aumenta consideravelmente a resistência a choques mecânicos. Nos vidros temperados de espessuras finas a ocorrência de uma fratura espontânea são maiores. No processo de têmpera os vidros são aquecidos acima da temperatura de transição vítrea (Tg) e são esfriados rapidamente a partir da superfície. Essa camada superficial sofre um resfriamento rápido e a temperatura Tg é maior do que na camada central do vidro. Num vidro de espessura fina a camada onde tem maior retração torna-se mais fino. O vidro temperado pode ser caracterizado pela forma e o tamanho da fragmentação. Neste trabalho foram efetuados estudos através da fragmentação do vidro e da microdureza Vickers de vidros com temperaturas de têmpera variando de: 620 ºC, 640 ºC, 650 ºC, 660 ºC e 690 ºC. Os resultados obtidos são muito promissores, podem-se observar variação no tamanho e na quantidade da forma de fragmentos em função da temperatura de têmpera.
INTRODUÇÃO
Vidro temperado é o vidro submetido a um tratamento térmico, que aumenta consideravelmente a sua resistência ao choque mecânico e a flexão, Ao serem fraturados os fragmentos são pequenos, por isso são considerados vidros de segurança e são utilizados nas áreas da construção civil, da decoração, dos móveis, dos eletrodomésticos e em veículos automotivos [AKERMAN, 2000]. Para reduzir o custo do produto final, as industrias procuram utilizar vidros de espessura cada vez mais finas. Na linha branca, eletrodomésticos, trabalha-se com vidros de espessura de até 3mm, a qual é considerada a espessura mínima para o vidro temperado. Como a ocorrência de fraturas em eletrodomésticos é muito alta, este trabalho teve como objetivo tentar reduzir a freqüência de fraturas minimizando assim o custo do produto.
Processo de Têmpera
No processo de tempera as placas de vidros são aquecidas acima da temperatura Tg ( temperatura de transição vítrea), mais abaixo que o ponto de amolecimento, e são resfriadas rapidamente através do fluxo constante de ar. A taxa de resfriamento varia em função da temperatura, quanto maior a taxa maior é a Tg. Como mostra a figura 1.
Transição Vítrea Esfriamento Rápido Esfriamento Lento Aquecimento Lento Aquecimento Rápido cristal Tg1 Tg2 Tf Liquido vidro
A temperatura de transição (Tg) é maior na superfície onde sofreu um resfriamento rápido, e a temperatura Tg da região interna do vidro é menor devido ao resfriamento mais lento, portanto de acordo com a figura 1 o volume específico é maior do que na região interna do vidro. A variação do volume específico entre a superfície externa e a interna do vidro, resulta na retração do volume da camada interna, deixando a superfície sob tensão residual de compressão e, para manter o equilíbrio estático das forças, o volume fica sob tração, como indicado na Figura 2 [LEITE, 2004].
Figura 2. Perfil das tensões residual e resultante de uma barra de vidro temperado sob carregamento transversal.
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais e Métodos
Foram utilizados dois tipos de vidros planos com espessura de 3,15mm: um com vidro incolor e o outro com vidro metade incolor e metade com serigrafia preta.
Na tempera, o vidro foi submetido às temperaturas de: 620ºC, 640ºC, 650ºC, 660ºC e a 690ºC. Os demais fatores, como a velocidade de transporte do vidro, o ciclo total, a pressão e o fluxo de resfriamento foram mantidos constantes.
Ensaio de Fragmentação
O ensaio foi realizado de acordo com a norma NBR 14698 seguindo os procedimentos do artigo Shutov para separar a forma do fragmento encontrado no quadrado de 5 x 5cm², pois dependendo da quantidade de cada formato do fragmento é possível identificar a fragilidade da amostra [SHUTOV, 2001; NBR 14698, 2004].
Foram traçados em todas as amostras de 400x400mm, três quadrados na horizontal, com aproximadamente 127mm após o ponto de impacto e respeitando também a borda do vidro. Foi necessário colar um papel aderente na parte detrás da amostra para facilitar a contagem. Em cada quadrado foi feita a contagem dos fragmentos e separado pelo formato, e para cada temperatura o procedimento foi repetido por duas vezes.
Ensaio de Micro-dureza
O ensaio foi realizado seguindo os procedimentos padrões do ensaio de micro-dureza Vickers (HV) sob uma carga de 0,1145Kg. O valor obtido (HV) foi a media das dez indentações.
RESULTADOS E DISCUSSÃO Ensaio de Fragmentação
De acordo com a norma [NBR 14698, 2004], a faixa de fragmentos deve estar dentro de 60-300 fragmentos. Acima de 300 fragmentos o vidro fica super tensionado podendo sofrer fratura instantânea, e com menos de 60 fragmentos na fratura pode causar o efeito faca com pedaços pontiagudos tornando-se um risco para a segurança do consumidor.
Tamanhos de fragmentos acima de 3cm² também não são aceitáveis, podendo causar ferimentos graves. Nas figuras 3, 4, 5, 6 e 7 observa-se a geometria dos fragmentos.
(a) (b)
Figura 3. Imagens da amostra à 620ºC: (a) apresenta fragmentos de tamanhos diferentes, mas dentro da norma (b) a quantidade total de fragmentos está dentro norma.
(a) (b)
Figura 4. Imagens da amostra à 640ºC: (a) apresenta homogeneidade em toda a amostra, (b) a quantidade total de fragmentos está dentro norma.
(a) (b)
Figura 5. Imagens da amostra à 650ºC: (a) fragmentos de tamanho diferentes, mas dentro da norma, (b), total de fragmentos em media de 48, abaixo da norma.
(a) (b)
Figura 6. Imagens da amostra de 660ºC: (a) apresentou homogeneidade em toda a amostra, (b) a quantidade total de fragmentos está dentro norma.
(a) (b)
Figura 7. Imagens da amostra à 690ºC: (a) os fragmentos, (b) a quantidade total de fragmentos está dentro norma.
Na figura 8, mostra o gráfico das quantidades de fragmentos dos tipos: triangulo, quadrado, retângulo, pentágono e hexágono. De acordo com Shutov [SHUTOV, 2001], as amostras submetidas à 620ºC e a 660ºC apresentaram um número menor de triângulos, e estes em grandes quantidades representam fragilidade principalmente no transporte. Sob as temperaturas de 640ºC, 650ºC e 690ºC a quantidade de triângulos é superiores a todos os outros formatos indicando que podem representar a fragilidade da amostra.
T ria ng ulo Q uad rad o R e tan gu lo P e nta go no H e xago no 0 20 40 60 Núm e ro de F ragm entos F o rm a d o F ra g m e n to 6 2 0 0C 6 4 0 0C 6 5 0 0C 6 6 0 0C 6 9 0 0C
Na amostra de vidro serigrafada com a metade transparente e a outra metade com a cor preta, pode-se observar que até 640 ºC, a cor preta não influencia muito na quantidade de fragmentos em relação a transparente, mas a partir desta temperatura, a absorção da cor preta em relação a incolor fica clara, e a diferença na quantidade de fragmentos começa a aumentar para as duas cores. Podendo ser responsável por uma diferença de tensão próxima à interface transparente e preta. No gráfico da figura 9 observa-se que a menor quantidade de forma triangulares e na temperatura de 620ºC em ambas as regiões.
Triangulo Quadrado Retangulo Pentagonal Hexagonal 0 20 40 60 80 Nú m ero de Fra g m en to s
Form a do Fragm ento
Transparente Serigrafia
6200C 6200C
6400C 6400C
6600C 6600C
6900C 6900C
Figura 9. Números de fragmentos na mesma amostra, sendo um lado transparente
e o outro preto.
Ensaio de Micro-dureza Vickers
Os resultados do ensaio de micro-dureza Vickers no vidro temperado incolor à 620ºC, 620ºC, 640ºC, 650ºC, 660ºC e 690ºC. A tabela I, mostra o resultado das durezas Vickers dos vidros temperados e sem tempera. Na figura 10 observa-se que a dureza do vidro sem tempera (HV= 649) é muito maior do que a dureza de vidro temperado (HVmédio= 517), e não há muita variação entre os vidros de diversos
temperatura de tempera , isto indica que o volume especifico da superfície refrigerada dos vidros temperados são aproximadamente iguais.
Tabela I. Medidas do ensaio de dureza das amostras transparente.
HV [kg/mm²] HV [kg/mm²] HV [kg/mm²] HV [kg/mm²] HV [kg/mm²] HV [kg/mm²] Temp 620ºC 640ºC 650ºC 660ºC 690ºC S/temp Média 518 502 534 517 515 649 1 400 450 500 550 600 650 700 690 660 650 640 620 s/tempera D u re z a Vi c k e rs [k g /m m 2 ] Temperatura de tempera (0C)
Figura 10. Dureza Vickers dos vidros com diferente temperatura de tempera.
Na tabela II, estão os dados obtidos do vidro serigrafada preto e transparente, à medida que aumenta a temperatura de tempera, pode-se observar uma diferença entre a amostra transparente e preta, como pode ser observado na figura 11.
Tabela II. Medidas do ensaio de dureza das amostras pretas e incolores.
CDP HV [kg/mm²] HV [kg/mm²] HV [kg/mm²] HV [kg/mm²]
620ºC 640ºC 660ºC 690ºC
Região Preta 501 521 497 499
620 640 660 680 700 480 490 500 510 520 530 HV (k gf/ m m 2 ) Temperatura ( 0C) Região preto Região transparente
Figura 11. Medidas do ensaio de dureza com amostra serigrafada preta e transparente.
CONCLUSÕES
A cor preta da serigrafia influencia nas tensões do vidro temperado. Na temperatura de 620ºC e 640 ºC encontrou-se uma menor variação na quantidade de fragmentos triangulares entre a região preta e transparente. Na temperatura de 620ºC apresentou menor número de triângulos, sendo então a mais indicada por ser resistente no transporte, mas todas as temperaturas avaliadas estão com a quantidade de fragmentos dentro da faixa especificada pela norma.
A micro-dureza do vidro sofre uma pequena variação com o aumento de temperatura.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Norma:
1. ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Vidro
Temperado para Aparelhos Domésticos da Linha Branca, NBR 13866. Rio de Janeiro, 2004.
___________. Ensaio de Fragmentação , NBR 14698, 2004, p. 10-18.
Artigo de periódico:
2. Shutov, A. I., Testing of Hardened Glass for the Type of Fracture, Glass and Ceramics, Vol 58, 2001, p. 128-129.
3. Holloway, D. G. The Physical Properties of Glass, Wykeham Publications(London) LTD, 1973
Relatório:
4. Leite, Humberto F, Relátorio técnico Quebra de tampas de Vidro Temperado, São Carlos, 2004, p. 13-15.
Relatório:
5. Akerman, Mauro, Natureza Estrutura e Propriedades do Vidro, CETEV(Centro Técnico de Elaboração do Vidro), 2000, p. 02-36.
THE TYPE OF FRACTURE IN FLOAT GLASS TEMPERED WITH THIN THICKNESS
ABSTRACT
The tempering of glass can substantially increase its resistance to mechanical shock. Thin thickness tempered glass, when compared with thicker, is more susceptible to spontaneous fracture. During the tempering process, the glass is heated above the transition temperature (Tg) and then the surface is rapidly cooled. The cooling at the surface is quicker than at the center since Tg is greater at the surface. In this thickness glass, there is more contraction and the temper is thinner, which increases the possibility for spontaneous fracture. Tempered glass may be characterized by the shape and size of fragments when it fractures. During this research, the glass fragment sizes, Vickers hardness and glass tempera at 620ºC, 640ºC, 650ºC, 660ºC
and 690ºC were studied. The research demonstrated that fragment size and quantity of shapes varied according to the temper temperature.
