1. Estrés térmico durante el enfriamiento (causa principal)
El cuarzo fundido genera tensión en condiciones de temperatura no uniformes. A cualquier temperatura, la estructura atómica del cuarzo fundido alcanza una configuración espacial relativamente óptima. A medida que la temperatura cambia, el espaciamiento atómico se desplaza en consecuencia, un fenómeno conocido como expansión térmica. Cuando el cuarzo fundido se calienta o enfría de forma desigual, se produce una expansión no uniforme.
La tensión térmica suele surgir cuando las regiones más calientes intentan expandirse, pero se ven limitadas por las zonas circundantes más frías. Esto genera tensión de compresión, que generalmente no causa daños. Si la temperatura es lo suficientemente alta como para ablandar el vidrio, la tensión puede aliviarse. Sin embargo, si la velocidad de enfriamiento es demasiado rápida, la viscosidad aumenta rápidamente y la estructura atómica interna no puede ajustarse a tiempo a la disminución de la temperatura. Esto genera tensión de tracción, que es mucho más propensa a causar fracturas o fallos.
Esta tensión se intensifica a medida que baja la temperatura, alcanzando niveles elevados al final del proceso de enfriamiento. La temperatura a la que el vidrio de cuarzo alcanza una viscosidad superior a 10^4,6 poise se denominapunto de tensiónEn este punto, la viscosidad del material es tan alta que la tensión interna queda efectivamente atrapada y ya no puede disiparse.
2. Estrés por transición de fase y relajación estructural
Relajación estructural metaestable:
En estado fundido, el cuarzo fundido presenta una disposición atómica muy desordenada. Al enfriarse, los átomos tienden a relajarse hacia una configuración más estable. Sin embargo, la alta viscosidad del estado vítreo dificulta el movimiento atómico, lo que resulta en una estructura interna metaestable y genera tensión de relajación. Con el tiempo, esta tensión puede liberarse lentamente, un fenómeno conocido comoenvejecimiento del vidrio.
Tendencia a la cristalización:
Si el cuarzo fundido se mantiene dentro de ciertos rangos de temperatura (como cerca de la temperatura de cristalización) durante períodos prolongados, puede producirse microcristalización, por ejemplo, la precipitación de microcristales de cristobalita. El desajuste volumétrico entre las fases cristalina y amorfa crea...estrés de transición de fase.
3. Carga mecánica y fuerza externa
1. Estrés por procesamiento:
Las fuerzas mecánicas aplicadas durante el corte, el rectificado o el pulido pueden generar distorsión reticular superficial y tensiones de procesamiento. Por ejemplo, al cortar con una muela abrasiva, el calor localizado y la presión mecánica en el borde inducen concentración de tensiones. Las técnicas inadecuadas de taladrado o ranurado pueden provocar concentraciones de tensiones en las entalladuras, que actúan como puntos de inicio de grietas.
2. Estrés por las condiciones del servicio:
Al utilizarse como material estructural, el cuarzo fundido puede experimentar tensiones a gran escala debido a cargas mecánicas como la presión o la flexión. Por ejemplo, la cristalería de cuarzo puede desarrollar tensiones de flexión al contener objetos pesados.
4. Choque térmico y fluctuación rápida de temperatura
1. Estrés instantáneo por calentamiento/enfriamiento rápido:
Aunque el cuarzo fundido tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo (~0,5 × 10⁻⁶/°C), los cambios bruscos de temperatura (p. ej., el calentamiento desde temperatura ambiente a altas temperaturas o la inmersión en agua helada) pueden causar gradientes de temperatura locales pronunciados. Estos gradientes provocan una expansión o contracción térmica repentina, lo que produce tensión térmica instantánea. Un ejemplo común es la fractura del cuarzo de laboratorio debido al choque térmico.
2. Fatiga térmica cíclica:
Al exponerse a fluctuaciones de temperatura repetidas y prolongadas, como en revestimientos de hornos o ventanas de observación de alta temperatura, el cuarzo fundido experimenta una expansión y contracción cíclicas. Esto provoca la acumulación de tensión por fatiga, acelerando el envejecimiento y el riesgo de agrietamiento.
5. Estrés inducido químicamente
1. Estrés por corrosión y disolución:
Cuando el cuarzo fundido entra en contacto con soluciones alcalinas fuertes (p. ej., NaOH) o gases ácidos a alta temperatura (p. ej., HF), se produce corrosión y disolución superficial. Esto altera la uniformidad estructural e induce tensión química. Por ejemplo, la corrosión alcalina puede provocar cambios en el volumen superficial o la formación de microfisuras.
2. Estrés inducido por ECV:
Los procesos de deposición química en fase de vapor (CVD) que depositan recubrimientos (p. ej., SiC) sobre cuarzo fundido pueden introducir tensión interfacial debido a las diferencias en los coeficientes de expansión térmica o los módulos elásticos entre ambos materiales. Durante el enfriamiento, esta tensión puede causar delaminación o agrietamiento del recubrimiento o del sustrato.
6. Defectos internos e impurezas
1. Burbujas e inclusiones:
Las burbujas de gas residuales o las impurezas (p. ej., iones metálicos o partículas no fundidas) introducidas durante la fusión pueden actuar como concentradores de tensiones. Las diferencias de expansión térmica o elasticidad entre estas inclusiones y la matriz vítrea generan tensiones internas localizadas. Las grietas suelen iniciarse en los bordes de estas imperfecciones.
2. Microfisuras y defectos estructurales:
Las impurezas o defectos en la materia prima o en el proceso de fundición pueden provocar microfisuras internas. Bajo cargas mecánicas o ciclos térmicos, la concentración de tensiones en las puntas de las grietas puede favorecer su propagación, reduciendo así la integridad del material.
Hora de publicación: 04-jul-2025