Механические свойства стекла кратко
Обновлено: 05.07.2024
Прочность стекла определяет предельное напряжение, вызывающее его разрушение. Специфической особенностью стекла является сравнительно высокая прочность при сжатии и низкая при растяжении и изгибе. Главным фактором, снижающим прочность стекла, является нарушенный слой, образующийся на поверхности заготовок в результате их механической обработки и взаимодействия с водой.
Прочность стекол можно повысить глубоким шлифованием и полированием, в результате которого удаляют трещиноватый слой и сохраняют высокое качество обрабатываемой поверхности. Удаление дефектного поверхностного слоя травлением повышает прочность в 2-4 раза, но при этом снижает качество поверхности.
Твердость стекла - это способность его сопротивляться проникновению в него другого тела. Различают твердость склерометрическую, определяемую по царапанию; абразивную - по скорости сошлифовывания; микротвердость - по отпечатку от вдавливаемого в стекло индентора в виде пирамиды. В оптическом производстве пользуются относительной твердостью по сошлифовыванию как отношением объема сошлифованного стекла марки К8 к объему совлифованного стекла любой марки в стандартных условиях обработки. Относительная твердость по сошлифовыванию для оптических стекол ОФ5 составляет 0,3 для К8 - 1,0 для СТК12 - 3,0.
Стекла, имеющие твердость по сошлифовыванию >1, подвержены царапанию меньше, чем стекла, имеющие твердость 5 Па•c, что обусловливает легкость появления выколок при выходе инструмента за край заготовки и ударах по стеклу.
Упругость стекол обусловливает их способность восстанавливать свою первоначальную форму после снятия напряжения. При изготовлении линз с тонким краем или тонкой серединой, тонких и сверхтонких пластин, крупногабаритной оптики, оптических деталей сложной и особенно несимметричной формы, деталей с отверстиями и т.п. должны учитываться упругие свойства стекол при закреплении их на приспособлениях, особенно при закреплении с помощью оптического контакта. Прочность контактного соединения обратно пропорциональна модулю упругости.
Область применения стекол определяется их свойствами. Так, для листовых строительных стекол важны прочность на сжатие и растяжение, термические свойства, химическая устойчивость, светопрозрачность. Ниже рассмотрены важнейшие свойства стекла, характеризующие его в твердом состоянии.
Плотность. Плотностью называется отношение массы тела к его объему. Определяется она по формуле p = m/V, где р — плотность; г/см 3 ; m — масса, г; V — объем, см 3 .
Стекло имеет плотность от 2,2 до 7,5 г/см 3 . Она определяется химическим составом. В состав тяжелых стекол (флинтов) входит много свинца, в состав легких — окислы элементов с малой атомной массой — лития, бериллия, бора. Большинство промышленных строительных стекол (оконное, полированное, профильное) имеет плотность 2,5—2,7 г/см 3 в частности оконное - стекло 2,55 г/см 3 . Плотность стекол в некоторой степени зависит и от температуры. Так, с повышением температуры плотность стекол уменьшается.
Прочность. Прочностью называется способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних нагрузок. Прочность характеризуется пределом прочности. В зависимости от направления действия нагрузки определяют предел прочности при сжатии, растяжении, изгибе и т. д.
Предел прочности стекол при сжатии R (кгс/мм 2 , Па) измеряют величиной разрушающей силы F (кгс), действующей на поперечное сечение S (мм 2 ) образца перпендикулярно действующей силе: R = F/S.
Предел прочности на сжатие для различных видов стекла колеблется от 50 до 200 кгс/мм 2 , например прочность оконного стекла 90—100 кгс/мм 2 . Для сравнения можно указать, что прочность на сжатие чугуна 60—120, стали 200 кгс/мм 2 .
На прочность стекла оказывает влияние его химический состав. Так, окислы СаО и B2O3 значительно повышают прочность, РbО и Al2O3 в меньшей степени, MgO, ZnO и Fe2O3 почти не изменяют ее.
Предел прочности при растяжении определяют по формуле R = P/S, где R — предел прочности при растяжении, кгс/мм 2 (Па); Р — средняя величина разрушающего усилия, кгс; S —площадь шейки образца в момент разрыва, мм 2 .
Из механических свойств стекол прочность на растяжение является одним из важнейших. Объясняется это тем, что стекло работает на растяжение хуже, чем на сжатие. Обычно прочность стекла на растяжение составляет 3,5—10 кгс/мм 2 , т. е. в 15—20 раз меньше, чем на сжатие.
Прочность стекла на растяжение зависит от состояния поверхности стекла. Наличие на ней каких-либо повреждений (трещин, царапин) снижает прочность стекла в 4—5 раз. Поэтому для сохранения заданной прочности стекла необходимо оберегать его поверхность от повреждений, например покрывать кремний органическими пленками. Химический состав влияет на прочность стекла при растяжении примерно так же, как и на прочность при сжатии.
Твердость. Твердость — это способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала. От твердости зависит продолжительность всех видов механической обработки (в производстве полированного автомобильного и технического стекла).
К твердым сортам относят боросиликатные малощелочные стекла с содержанием B2O3 до 10—12%, твердость которых по шкале Мооса равна 7. Стекла с большим содержанием щелочных окислов имеют меньшую твердость. Наиболее мягкие — многосвинцовые силикатные стекла, твердость которых по шкале Мооса равна 5—6.
Хрупкость. Хрупкость стекол определяется способностью противостоять удару. Большая хрупкость стекол ограничивает их применение. В лабораторных условиях вместо хрупкости определяют микрохрупкость стекла, которая измеряется числом микротрещин, образовавшихся на поверхности стекла при вдавливании в него алмазной пирамидки.
На хрупкость, стекол влияют однородность, конфигурация и толщина изделий: чем меньше посторонних включений в стекле, чем более оно однородно, тем выше его хрупкость. Хрупкость стекол практически не зависит от состава. При увеличении в составе стекол B2O3, SiO2, Al2O3, ZrO2, MgO хрупкость незначительно понижается.
С давних пор для осветления и придания жилому помещению уюта делали окна. Атак как стекло было большой редкостью, то вместо него использовались другие материалы. К счастью, в настоящее время стекло не редкость: его используют везде и для разных целей. Причем купить можно не только обыкновенное оконнное стекло, но и цветное для изготовления витражей.
Все твердые тела делят на кристаллические и аморфные. Последние обладают свойством плавиться при достаточно высокой температуре. В отличие от кристаллических тел они имеют структуру лишь с небольшими участками упорядоченно соединенных ионов, причем эти участки соединены между собой так, что образуют асимметрию.
В науке (химия, физика) стеклом принято называть все аморфные тела, которые образуются в результате переохлаждения расплава. Эти тела вследствие постепенного увеличения степени вязкости оказываются наделенными всеми признаками твердых тел. Они также обладают свойством обратного перехода из твердого в жидкое состояние.
Стеклом в обыденной жизни называют прозрачный хрупкий материал. В зависимости от того или иного компонента, входящего в состав исходной стекломассы, в промышленности различают следующие виды стекла: силикатные, боратные, боросиликатные, алюмосиликатные, бороалюмосиликатные, фосфатные и другие.
Как и любое другое физическое тело, стекло обладает рядом свойств.
Физические и механические свойства стекла
Плотность стекол зависит от компонентов, входящих в их состав. Так, стекломасса, в больших количествах включающая оксид свинца, более плотная по сравнению со стеклом, состоящим помимо прочих материалов и из оксидов лития, бериллия или бора. Как правило, средняя плотность стекол (оконное, тарное, сортовое, термостойкое) колеблется от 2,24×10 в кубе — 2,9×10 в кубе кг/м3. Плотность хрусталя несколько больше: от 3,5 х 10 в кубе — 3,7 х 10 в кубе кг/м3.
Прочность. Под прочностью на сжатие в физике и химии принято понимать способность того или иного материала сопротивляться внутренним напряжениям при воздействии извне каких-либо нагрузок. Предел прочности стекла составляет от 500 до 2000 МПа (хрусталя — 700-800 МПа). Сравним эту величину с величиной прочности чугуна и стали: соответственно 600-1200 и 2000 МПа.
При этом степень прочности того или иного вида стекла зависит от химического вещества, входящего в его состав.
Более прочны стекла, включающие в свой состав оксиды кальция или бора. Низкой прочностью отличаются стекла с оксидами свинца и алюминия.
Предел прочности стекла на растяжение составляет всего 35-100 МПа. Степень прочности стекла на растяжение в большей степени зависит от наличия различных дефектов, образующихся на его поверхности. Различные повреждения (трещины, глубокие царапины) значительно снижают величину прочности материала. Для искусственного увеличения показателя прочности поверхность некоторых стеклоизделий покрывают кремнийорганической пленкой.
Хрупкость — механическое свойство тел разрушаться под действием внешних сил. Величина хрупкости стекла в основном зависит не от химического состава образующих его компонентов, а в большей степени от однородности стекломассы (входящие в его состав компоненты должны быть беспримесными, чистыми) и толщины стенок стеклоизделия.
Твердостью обозначают механическое свойство одного материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого. Определить степень твердости того или иного материла можно с помощью специальной таблицы-шкалы, отражающей свойства некоторых минералов, которые расположены по возрастающей, начиная с менее твердого, талька, твердость которого взята за единицу, и заканчивая самым твердым — алмазом с твердостью в 10 условно принятых единиц.
Степень твердости того или иного вида стекла в основном зависит от химического состава входящих в него компонентов. Так, использование при создании стекломассы оксида свинца значительно снижает твердость стекла. И, напротив, силикатные стекла достаточно плохо поддаются механической обработке.
Теплоемкостью называют свойство тел принимать и сохранять определенное количество теплоты при каком-либо процессе без изменения состояния.
Теплоемкость стекла прямо зависит от химического состава компонентов, входящих в состав исходной стекломассы. Его удельная теплота при средней температуре равна 0,33-1,05 Дж/(кгхК). Причем чем выше в стекломассе содержание оксидов свинца и бария, тем ниже показатель теплопроводности. Но вот легкие оксиды, такие, например, как оксид лития, способны повысить теплопроводность стекла.
При изготовлении стеклоизделий следует помнить о том, что аморфные тела, обладающие низкой теплоемкостью, остывают значительно медленнее, чем тела с высоким показателем теплоемкости. У таких тел наблюдается также увеличение количества теплоемкости с повышением внешней температуры. Причем в жидком состоянии этот показатель растет несколько быстрее. Это характерно и для стекол различных типов.
Теплопроводность. Таким термином в науке обозначают свойство тел пропускать через себя теплоту от одной поверхности до другой, при условии, что у последних разная температура.
Известно, что стекло плохо проводит тепло (кстати, это свойство широко используется в строительстве зданий). Уровень его теплопроводности в среднем составляет 0,95-0,98 Вт/(м х К). Причем наболее высокий показатель теплопроводности отмечен у кварцевого стекла. С уменьшением доли оксида кремния в общей массе стекла или при замене его на любое другое вещество уровень теплопроводности понижается.
Температура начала размягчения — это такая температура, при которой тело (аморфное) начинает размягчаться и плавиться. Самое твердое —- кварцевое — стекло начинает деформироваться только при температуре 1200-1500 °С. Другие типы стекол размягчаются уже при температуре 550-650 0С. Эти показатели важно учитывать при различных работах со стеклом: в процессе выдувания изделий, при обработке краев этих изделий, а также при термической полировке их поверхностей.
Величина температуры начала плавления того или иного сорта и вида стекла определяется химическим составом компонентов. Так, тугоплавкие оксиды кремния или алюминия повышают температурный уровень начала размягчения, а легкоплавкие (оксиды натрия и калия), напротив, понижают.
Тепловое расширение. Этим термином принято обозначать явление расширения размеров того или иного тела под воздействием высоких температур. Эту величину очень важно учитывать при изготовлении стеклоизделий с различными накладками по поверхности. Материалы для отделок следует подбирать так, чтобы величина их теплового расширения соответствовала тому же показателю стекломассы основного изделия.
Коэффициент теплового расширения стекол прямо зависит от химического состава исходной массы. Чем больше в стекломассе щелочных оксидов, тем выше показатель температурного расширения, и, наоборот, присутствие в стекле оксидов кремния, алюминия и бора снижает эту величину.
Термостойкостью определяется способность стекла не поддаваться коррозии и разрушению в результате резкой смены внешней температуры. Этот коэффициент зависит не только от химического состава массы, но и от размера изделия, а также от величины теплоотдачи на его поверхности.
Оптические свойства стекла
Преломление света — так в науке называют изменение направления светового луча при его прохождении через границу двух прозрачных сред. Величина, показывающая преломлние света стекла, всегда больше единицы.
Отражение света — это возвращение светового луча при его падении на поверхность двух сред, имеющих различные показатели преломления.
Дисперсия света — разложение светового луча в спектр при его преломлении. Величина дисперсии света стекла прямо зависит от химического состава материала. Наличие в стекломассе тяжелых оксидов увеличивает показатель дисперсии. Именно этим свойством и объясняется явление так называемой игры света в хрустальных изделиях.
Поглощением света определяют способность той или иной среды уменьшать интенсивность прохождения светового луча. Показатель поглощения света стекол невысок. Он увеличивается лишь при изготовлении стекла с применением различных красителей, а также особых способов обработки готовых изделий.
Рассеяние света — это отклонение световых лучей в различных направлениях. Показатель рассеяния света зависит от качества поверхности стекла. Так, проходя сквозь шероховатую поверхность, луч частично рассеивается, и потому такое стекло выглядит полупрозрачным. Это свойство, как правило, используют при изготовлении стеклянных абажуров для ламп и плафонов для светильников.
Химические свойства стекла
Среди химических свойств необходимо особо выделить химическую стойкость стекла и изделий из него.
Химической стойкостью в науке называют способность того или иного тела не поддаваться воздействию воды, растворов солей, газов и влаги атмосферы. Показатели химической стойкости зависят от качества стекломассы и воздействующего агента. Так, стекло, не подвергающееся коррозии при действии воды, может деформироваться при воздействии щелочных и солевых растворов.
Важнейшими механическими свойствами стекла являются упругость, хрупкость, твердость и прочность.
Неорганические стекла представляют собой упругие тела, подчиняющиеся при деформации (вплоть до разрушения) закону Гука.
Упругие свойства стекла характеризуются модулем упругости, модулем сдвига и коэффициентом Пуассона, которые связаны между собой уравнением.
Модуль упругости определяет величину напряжений, возникающих в деформированном упругом теле под влиянием нагрузки при растяжении или сжатии, и изменяется в зависимости от химического состава стекла. Для стекол разных составов коэффициент Пуассона равен 0,11-0,30.
Модуль сдвига характеризует способность стекол сопротивляться деформации сдвига или скола.
Стекла являются типичными хрупкими телами, разрушение которых не сопровождается пластической деформацией.
Микрохрупкость стекол оценивают по показателям прочности при ударе.
Стекло промышленного изготовления всегда имеет макро-, микро- и субмикроскопические дефекты, которые определяют механизм и особенности его разрушения (прочность). Появление на стекле поверхностных дефектов обусловлено влиянием структурных и химических неоднородностей, посторонних включений и субмикроскопических кристаллитных образований, а также отрицательным действием градиента температур при его формовании и термической обработке. Наибольшее влияние на состояние поверхности стеклоизделий оказывает ее контакт с окружающей средой.
В результате такого контакта с твердыми телами, абразивными частицами и поверхностно-активными веществами (прежде всего, с водой и водяными парами) стекло накапливает на поверхности очаги хрупкого разрушения - микротрещины различной степени опасности.
При изучении микротрещин на поверхности стекла после декорирования его парами натрия в вакууме при 400°С выяснилось, что такие трещины существуют на стекле до приложения к нему внешней нагрузки и увеличиваются при нагружении. При этом на поверхности более прочного стекла дефектов оказывается меньше, что подтверждает статистическую теорию прочности.
Хрупкое разрушение стекла под действием внешних сил начинается обычно с его поверхности в результате образования и роста микротрещин. Наличие на поверхности разрыва стекла: двух зон - зеркальной и шероховатой - свидетельствует о двухстадийности процесса разрушения реальных хрупких тел. Зеркальная зона соответствует медленному прорастанию микротрещин, шероховатая - быстрому разрушению стекла со скоростью 750-2200 м/с.
Помимо общепризнанной теории А. Гриффитса, предполагающей существование дефектов в стекле до приложения к нему нагрузки, имеется гипотеза Е. Понселе, согласно которой микротрещины возникают в материале лишь при приложении внешних нагрузок, а до тех пор они не существуют.
В целом, дефекты поверхности стекла являются основной причиной его низкой практической прочности.
Теоретическая прочность неорганических стекол, по данным различных авторов, составляет от 9,8 • 10 9 до 29,5 • 10 9 Па. Однако практическая их прочность не превышает 1% от теоретического значения.
Такое расхождение величин прочности объясняется статистической и кинетической теориями прочности.
Статистическая теория прочности базируется на следующих основных положениях:
прочность образца в однородном напряженном состоянии определяется наиболее опасным дефектом;
чем больше объем и поверхность образца, тем вероятнее присутствие наиболее опасного дефекта;
материал из-за микронеоднородности строения при однородном растяжении создает в различных микрообъемах неравномерно распределенные напряжения.
В различных интерпретациях статистической теории устанавливается связь между прочностью и масштабным фактором. Наибольшей известностью пользуется формула В. Вейбулла, предложенная для хрупких материалов, структура которых не зависит от размеров образца.
Следует учитывать, что различные участки образцов изделий могут иметь дефекты разной степени опасности. Наиболее опасные дефекты свойственны краям. Поэтому результаты испытаний прочности в значительной степени зависят от условий обработки краев и их положения при нагружении. Прочность поверхности выше прочности края, но в несколько раз меньше прочности объема стекла.
Кинетическая теория прочности позволяет объяснить временную зависимость прочности материалов. Усталость стекла, проявляющаяся во временной зависимости прочности, вызывается тепловыми явлениями, концентрирующимися у вершин трещин. Связи, находящиеся в этом месте в состоянии сильного перенапряжения, разрываются при возрастании их энергии вследствие беспорядочного распределения тепловой энергии между атомами.
Вопросам усталости стекла под нагрузкой посвящено много работ, имеются модельные представления и различные мнения о природе и механизме усталостного разрушения стекла. Однако предлагаемые эмпирические уравнения долговечности стекла под нагрузкой не носят всеобщего характера, так как неконтролируемые внешние воздействия на поверхность нагруженного изделия (адсорбционные понизители прочности, абразивные частицы, контакт с нагружающими устройствами и др.) не позволяют производить экстраполяцию в сторону большего и меньшего времени действия нагрузок.
Температурная зависимость прочности стекла имеет сложный характер в связи с физико-химическим воздействием атмосферной влаги на процесс разрушения. Установлено, что для большинства стекол в области низких температур прочность выше. Это объясняется уменьшением скорости химического взаимодействия стекла с влагой воздуха, а также уменьшением энергии тепловых колебаний.
Прочность стекол минимальна в интервале температур 150-200° С. Увеличение прочности стекла при более высоких температурах вызвано уменьшением поверхностной адсорбции влаги и релаксацией опасных перенапряжений у трещин.
До недавнего времени не было убедительных доказательств. зависимости прочности стекла от его химического состава и структуры. При выработке стекла с ювенильной поверхностью такая зависимость отчетливо проявляется. Причем, чем выше уровни прочности, тем более очевидной становится их взаимосвязь со структурно-физическими параметрами, рассчитываемыми по химическому составу стекла. При прочих равных условиях, как показано С. И. Сильвестровичем, прочность химических связей, ориентация и связность каркаса определяют устойчивость стекла к механическим нагрузкам, химическим и термическим воздействиям.
На механическую прочность стекла существенное влияние оказывают напряжения, возникающие при формовании или термической обработке стеклоизделий, - напряжения первого и второго рода.
Напряжения первого рода действуют в областях, соизмеримых с размерами тела, и могут быть временными или остаточными. Напряжения второго рода наблюдаются в областях, соизмеримых с объемами микронеоднородностей в стекле.
Напряжения первого рода, распределенные в стеклоизделии неравномерно, локализованные в отдельных участках и неуравновешенные по знаку, снижают прочность. Такие локальные Концентрации напряжений могут быть результатом неравномерного теплосъема с поверхностей стеклоизделий при охлаждении после формования, могут образоваться при сварке стеклянных деталей, впаивании металла в стекло, наличии в стекле различных посторонних включений (свилей, камней и шлиров) или при изготовлении сложных изделий на стыках поверхностей. Особенно опасен выход на поверхность растягивающих напряжений, так как это приводит к резкому ослаблению изделий и их саморазрушению.
Внутренние напряжения первого рода, распределенные равномерно и взаимоуравновешенные по знаку так, что в поверхностных слоях действуют напряжения сжатия, придают стеклу высокую прочность.
Вероятно, нельзя рассматривать прочностные свойства стекла как константы, определяемые независимо от условий нагружения, размеров и формы тела и влияния внешней среды. Прочность стекла является функцией таких переменных, как степень дефектности поверхности, условия нагружения, размеры и форма стеклянной тары, вид поверхностно-активной среды, температура и др.
Читайте также: