Effect of corrosive media on crack growth of model glasses and commercial silicate glasses

Abstract

The crack growth on silicate glasses of the systems <i>x</i> Na₂O - (100-<i>x</i>) SiO₂, <i>x</i> Na₂O - 11 Al2O₃ - (89-<i>x</i>) SiO₂, <i>x</i> Na₂O - 11 B₂O₃ - (89-<i>x</i>) SiO₂, <i>x</i> Na₂O - 7 CaO - (93-<i>x</i>) SiO₂ and <i>x</i> Na₂O - 17 CaO - (83-<i>x</i>) SiO₂ as well as on two commercial glasses (soda-lime-silica and sodium borosilicate glass) in water, acids and bases has been studied. In alkali oxide containing silicate glasses the crack-growth mechanism is based on a stress-stimulated splitting of siloxane bridges due to attack of both hydroxide ions (dominant in NaOH) and molecular water (dominant in LiOH). Real network dissolution with a rate like the crack-growth velocity (occurring in hydrofluoric acid or in water on extremely leachable glasses) leads to a plateau-like region of the crack growth. The threshold of crack growth in alkali-containing glasses is caused by alkali leaching forming a surface-near glass layer with modified mechanical properties within the cracks. Therefore, this threshold is enhanced with increasing pH value of the medium. The two commercial multicomponent glasses behave in a similar way like the investigated model glasses. The crack-growth curves indicate that the failure risk decreases in the order base, water, acid as well as with increasing concentrations of base or acid.

Es wurde das Rißwachstum an Silicatgläsern der Systeme <i>x</i> Na₂O - (100-<i>x</i>) SiO₂, <i>x</i> Na₂O - 11 Al2O₃ - (89-<i>x</i>) SiO₂, <i>x</i> Na₂O - 11 B₂O₃ - (89-<i>x</i>) SiO₂, <i>x</i> Na₂O - 7 CaO - (93-<i>x</i>) SiO₂ and <i>x</i> Na₂O - 17 CaO - (83-<i>x</i>) SiO₂ sowie an zwei handelsüblichen Gläsern (Kalk-Natronsilicatglas und Natrium-Borosilicatglas) in Wasser, Säuren und Laugen untersucht. In Alkalisilicatgläsern beruht das Rißwachstum auf einer spannungsabhängigen Spaltung von Siloxanbrücken, hervorgerufen durch den Angriff sowohl von Hydroxidionen (bevorzugt in NaOH) als auch von molekularem Wasser (bevorzugt in LiOH). Eine vollständige Netzwerkauflösung mit einer dem Rißwachstum vergleichbaren Geschwindigkeit (in Fluorwasserstoffsäure oder in Wasser an extrem unbeständigen Gläsern) führt zu einem plateauähnlichen Bereich des Rißwachstums. Die Schwellbelastung zum Auftreten von Rißwachstum wird in alkalihaltigen Gläsern durch Alkaliauslaugung hervorgerufen. Es bildet sich eine Oberflächenschicht mit veränderten mechanischen Eigenschaften innerhalb der Risse. Die Schwellbelastung wächst mit steigendem pH-Wert des Mediums. Die beiden handelsüblichen Mehrkomponentengläser verhalten sich ähnlich wie die untersuchten Modellgläser. Aus den Rißwachstumskurven ergibt sich, daß das Bruchrisiko in der Reihenfolge Lauge, Wasser, Säure und mit wachsender Konzentration von Lauge oder Säure abnimmt.