Una tensione permanente lasciata dentro il vetro
Il vetro temperato è vetro di silicato sodo-calcico nel quale un ciclo controllato di riscaldamento e raffreddamento ha lasciato uno stato di tensione permanente: compressione sulle facce, trazione all’interno dello spessore. Non cambia la composizione chimica e non cambia la durezza, che restano quelle della lastra di partenza. Cambia soltanto la distribuzione delle tensioni interne, e da quella discendono tutte le sue proprietà.
La norma di prodotto che lo definisce è la UNI EN 12150-1:2019, versione italiana della EN 12150-1:2015+A1:2019, intitolata Vetro per edilizia – Vetro di silicato sodo-calcico di sicurezza temprato termicamente. Vale la pena notare la parola che usa: temprato, non temperato. Le due forme convivono, la prima nei testi normativi e la seconda nell’uso corrente, e indicano la stessa lavorazione. Va notato anche il campo di applicazione, che è l’edilizia: una lastra di un mobile o di un apparecchio si chiama allo stesso modo, ma non ricade per questo sotto quella marcatura.
Come nasce la compressione superficiale
La lastra entra in un forno a rulli e viene portata intorno ai 620-660 °C, cioè al punto in cui il vetro comincia a rammollire. All’uscita riceve getti d’aria fredda ad alta pressione su entrambe le facce. La superficie si irrigidisce per prima, mentre il cuore è ancora caldo e viscoso; quando anche il cuore si raffredda, si contrae, e trovandosi legato a facce ormai rigide le tira verso l’interno. Il risultato è la compressione superficiale, equilibrata da una trazione nella parte centrale dello spessore.
Da qui viene la resistenza. Una cricca superficiale, per propagarsi, deve prima consumare la compressione che tiene chiuse le due labbra: finché non la vince, non avanza. Da qui viene anche il modo di rompersi. Quando la cricca arriva al cuore in trazione, l’energia accumulata si libera in un colpo solo e la lastra si disgrega tutta insieme in una moltitudine di frammenti piccoli, con spigoli in genere arrotondati, invece di aprirsi in schegge lunghe e taglienti. È questa modalità di rottura, non la sola resistenza, a farne un vetro di sicurezza.
Il vetro temperato si lavora prima, mai dopo
Lo stato di tensione è un equilibrio globale che riguarda tutta la lastra. Intaccarne un bordo significa aprire una via alla trazione interna, e la lastra si disfa. Per questo un pannello temprato non si taglia, non si sega, non si fora e non si molano i bordi: tagli, fori, tacche, intagli e lavorazione dei bordi vanno eseguiti prima della tempra, e la UNI EN 12150-1 dedica proprio a queste geometrie le sue prescrizioni, compresi i limiti sulla posizione dei fori rispetto al bordo, agli angoli e agli altri fori. Un ripiano tagliato male non si accorcia: si rifà.
Una seconda conseguenza è visibile a occhio. Il raffreddamento non è mai perfettamente uniforme, e il vetro finisce leggermente birifrangente: in luce polarizzata compaiono macchie e strisce chiare e scure. La norma le tratta come una caratteristica del prodotto sotto il nome di anisotropia, o iridescenza, non come un difetto.
I numeri del vetro temperato
Il confronto con la lastra ricotta di partenza si legge in due grandezze. La resistenza tipica a flessione passa da 45 N/mm² a circa 120 N/mm²: la UNI EN 572-1 assegna al vetro ricotto una resistenza caratteristica a flessione di 45 MPa, ed è il valore da cui parte il calcolo. La resistenza al differenziale termico passa da qualche decina di gradi, con rotture possibili già intorno ai 30-40 K di differenza fra zone della stessa lastra, all’ordine dei 200 °C.
Restano invece invariate le costanti del materiale, perché il materiale è lo stesso: densità intorno a 2.500 kg/m³, modulo di elasticità di circa 70.000 MPa, coefficiente di dilatazione lineare di 9 milionesimi per kelvin fra 20 e 300 °C. Un pannello temprato non è più rigido di uno ricotto di pari spessore: sotto carico si inflette allo stesso modo, semplicemente arriva più lontano prima di rompersi.
La prova di frammentazione
Che la rottura sia davvero minuta si verifica con una prova distruttiva descritta dalla stessa norma. Un provino di 1.100 mm per 360 mm viene colpito con una punta a metà del lato più lungo; dopo la rottura si attendono da tre a cinque minuti, perché le fessurazioni continuano a propagarsi, poi si sceglie la zona in cui la frammentazione è più grossolana e si contano i frammenti dentro un riquadro di 50 mm per 50 mm, escludendo una fascia lungo i bordi e attorno al punto d’impatto.
Il conteggio deve superare un minimo che dipende dallo spessore nominale, e per gli spessori fra 4 e 12 mm il minimo è quaranta frammenti. La norma fissa inoltre la lunghezza massima ammessa per il frammento più lungo, perché una lastra può soddisfare il conteggio e produrre lo stesso una scheggia allungata.
Temperato, indurito, stratificato
Lo stesso forno, con un raffreddamento meno spinto, dà il vetro indurito termicamente della UNI EN 1863-1: più resistente del ricotto, ma con tensioni insufficienti a farlo frammentare in modo minuto, quindi non un vetro di sicurezza. Il vetro stratificato della UNI EN ISO 12543 lavora in un altro modo ancora: le lastre restano ricotte e a trattenere i frammenti è l’intercalare polimerico che le unisce. La UNI EN 12600 mette i tre a confronto con la prova del pendolo e li classifica per modalità di rottura, distinguendo il tipo ricotto dal tipo stratificato e dal tipo temprato.
Esiste infine una tempra che non passa dal forno. Nella tempra chimica la lastra viene immersa in un bagno di sali di potassio fusi oltre i 400 °C, sotto la temperatura di transizione vetrosa, e gli ioni sodio della superficie vengono scambiati con ioni potassio, più ingombranti, che comprimono lo strato più esterno. Lo strato compresso è profondo qualche decina di micrometri contro i millimetri della tempra termica, e proprio per questo il procedimento si applica a spessori sottili e a superfici che devono restare otticamente pulite, come i vetri di copertura degli apparecchi portatili.
Un ultimo punto riguarda un difetto raro e senza rimedio: le inclusioni di solfuro di nichel, invisibili a occhio e ai controlli in linea, possono espandersi nel tempo dentro la zona in trazione e mandare in frantumi una lastra apparentemente indisturbata. La UNI EN 12150-1 ne parla in appendice, e il trattamento che ne riduce l’incidenza, la permanenza prolungata a caldo detta heat soak test, ha norme proprie nella serie UNI EN 14179.
