Fig. 1 Ilustração de tensão na estrutura do vidro. Esquerda: Nenhuma tensão no vidro. Meio: Tensão de tração. Direita: Tensão compressiva.
Se o material for submetido à tensão, a reação imediata é uma deformação geométrica. Por isso, o material sofre dobra, pressão ou torção. Essa deformação é medida como esforço. Quanto maior o esforço, maior a deformação. A deformação pode novamente ser classificada em deformação elástica ou plástica. Quando uma força externa é aplicada e removida novamente, o material tenta retornar ao seu formato inicial. Um bom exemplo deste comportamento é um balão que volta ao seu tamanho pequeno, assim que o ar é liberado de seu interior (fig. 2 à esquerda). Se a força externa continua a agir, o material pode possuir a capacidade de permanecer no formato deformado, mesmo após a força finalmente ter sido removida. Um bom exemplo disso seriam hastes de metal que permanecem no formato deformado (fig. 2 à direita).
Fig. 2 Esquerda: Balão apresentando deformação elástica quando o ar de seu interior é liberado. Direita: Hastes de metal que exibem deformação plástica.
Agora, queremos reunir todos os três parâmetros acima: Se um material for submetido à tensão, ele reage com o esforço, implicando primeiramente em deformação elástica, acompanhada por deformação plástica e, por fim, em quebra. Isto pode ser visualizado na figura 3:
Se uma "pequena" tensão é aplicada a um material e novamente removida, os átomos de sua estrutura são deslocados sendo, porém, capazes de retornar novamente aos seus locais originais. Dependendo da quantidade de tensão, tanto os materiais quebradiços quanto os maleáveis são capazes de fazer isso. Caso a tensão continue, os materiais maleáveis começam a sofrer deformação plástica permanentemente (veja as hastes de metal). O vidro, sendo um material quebradiço, não é capaz de plasticamente se deformar. Inicialmente, há um intervalo bastante pequeno de deformação elástica. No entanto, se a tensão continuar, o vidro não é capaz de compensá-la deformando-se plasticamente, quebrando-se imediatamente ao invés disso.
Littleton uma vez afirmou sobre as medidas de resistência: "Não medimos a resistência efetiva do vidro e, sim, a fragilidade da superfície." [1, p. 365]. Com essas palavras, ele quis dizer que a influência dos defeitos da superfície sobre a resistência é, na verdade, muito maior do que a composição do material do vidro.
Esta conclusão exigiu uma longa jornada de experimentos. Era preciso demonstrar que as superfícies do vidro realmente contêm defeitos. Em seguida, era preciso comprovar o que dava origem a esses defeitos de superfície. E, por fim, era preciso fazer a reconstrução da propagação das trincas, a fim de poder prever a vida útil daquele certo fragmento de vidro investigado.
C. E. Inglis, F. W. Preston e A. A. Griffith foram pioneiros nestas áreas no começo do século 20[2] [3] [4] [5].
Os defeitos de superfície podem ser gerados por todo o processo de manuseio, desde os tubos, passando pelo processo de conversão até o envase e o embalamento final. Cada um desses defeitos pode contribuir para uma menor resistência, ou seja, a força de quebra, aumentando o risco de quebras.
Fig. 4 Apresentação esquemática da cadeia de valor de um material de vidro para embalagem primária mostrando que, desde a fabricação e a conversão dos tubos passando por todo o processo de envase farmacêutico, a resistência do vidro (a força de quebra) é reduzida com adição contínua de defeitos de superfície.
Tais defeitos não apenas referem-se aos defeitos na superfície do vidro, tais como arranhões e trincas, como também à tensão no interior do vidro causada pelo recozimento incorreto (no processo de conversão) ou por tratamentos térmicos em geral, tais como o túnel de despirogenização, congelamento e descongelamento e liofilização (fig 5).
Fig. 5 Fotos de microtrincas, pontos de colisão e arranhões (indicados por uma seta azul) nas superfícies de um recipiente de vidro.
A probabilidade de quebra de um material frágil como o vidro não está correlacionada a uma única propriedade de material, e sim a uma interação entre os defeitos de superfície e a tensão mecânica (a tensão de tração criada por um impacto mecânico ou térmico).