Bond rupture mechanisms in vitreous systems

Abstract

An experimental comparison was made between the breaking strength of fresh cleavage surfaces on various glasses and surface flaw parameters. A direct relationship was found between the product N_b of flaw length and number and the mean pressure to produce breakage in localized areas. This relationship was attributed to surface energy being utilized in flaw creation. A theory is advanced that a localized force causes a part of the mechanical stress to be relieved by flaw surface energy, producing a confined region of plastic deformation. Flaw formation in fused silica was observed to be less extensive and, as a consequence, the structure supported less localized force than commercial glasses before fracturing. The fused quartz structure was modified by adding sodium and calcium oxides; these three component glasses also disclosed the direct relation between N_b and the breaking force. By employing a dynamic indenter tool, quantitative flaw formation in systems such as fused and crystalline quartz is compared with other structures. Both quantitative and qualitative types of flaw formation are discussed in relation to plastic flow phenomena in vitreous networks.

Résumé

Une comparaison expérimentale a été établie entre la force de rupture de surfaces de clivage fraiches sur différents verres et les paramétres de défaut superficiels. Une relation directe a été trouvée entre le produit N_b de la longueur et du nombre de défauts et la pression moyenne nécessaire à la production de la rupture dans des surfaces localisées. Cette relation est attribuée à l'énergie superficielle utilisée pour la création du défaut. On avance une théorie selon laquelle une force localisée provoque le prélèvement d'une partie de, la contrainte mécanique par énergie de défaut superficiel, produisant une région confinée de déformation plastique. On a observé que la formation de défauts dans la silice fondue est moins étendue, et en conséquence, que sa structure supporte des forces moins localisées avant la fracture que les verres commerciaux. La structure du quartz fondu est modifiée par addition d'oxyde de sodium et d'oxyde de calcium; ces verres à trois composants présentent également la relation directe entre N_b et la force de rupture. La formation quantitative de défauts, obtenus par un appareil à entailler dynamique, dans des systèmes tels que le quartz fondu et cristallin sont comparés a d'autres structures. On discute les formations de défauts à la fois quantitatives et qualitatives en relation avec les phénoménes d' écoulement plastique dans les systèmes vitreux.

Zusammenfassung

Ein experimenteller Vergleich wurde gemacht zwischen der Bruchfestigkeit von frischen Spaltflächen auf verschiedenen Glassorten und den Parametern von Oberflächensprüngen.

Ein direkter Zusammenhang zwischen dem Produkt N_b von Sprunglänge und -anzahl und dem mittleren Druckwert zur Erzielung eines lokalen Bruches wurde gefunden. Dieser Zusammenhang wird auf die zur Sprungerzeugung verbrauchte Oberflächenenergie zurückgeführt, Eine Theorie wird entwickelt, nach der bei einer lokal aufgebrachten Belastung die mechanische Spannung örtlich zur Teil dutch die Sprungoberflächenenergie vermindert and ein begrenztes Gebiet plastisch verformt wird.

In geschmolzenem Kiesel wurde eine weniger ausgebreitete Sprungbildung beobachtet und der Widerstand des Materials gegen eine örtliche Kraft war infolgedessen geringer als der von kommerziellen Gläsem vor dem Bruche, Die Zusammensetzung des Schmelzquarzes wurde durch Hinzufügen von Soda und Kalziumoxyd verändert. Diese Drei-Komponenten-Gläser zeigten auch den direkten Zusammenhang zwischen N_b und der Bruchkraft. Unter Verwendung einer dynamischen Kerbmaschine wurde die quantitative Sprungbildung in geschmolzenem und kristallinem Quarz mit anderen Materialien verglichen. Quantitative und qualitative Arten von Sprungbildungen werden im Zusammenhang mit plastischen Fliesserscheinungen in Glasgefügen besprochen.