От чего зависит хрупкость стекла кратко
Обновлено: 06.07.2024
Связь траекторий трещин с траекториями максимальных растягивающих напряжений, постоянство строения изломов для каждого из изученных напряженных состояний объясняется хрупкостью стекол и, как правило, позволяет найти ориентировку действовавших усилий даже для сложных случаев эксплуатационных разрушений. [31]
Мастер производственного обучения должен объяснить учащимся, что почти все травмы, связанные с порезами рук стеклом, происходят по одной причине - лаборант забывает о хрупкости стекла и не соразмеряет своих усилий, прилагаемых при сборке прибора из стеклянных деталей или при надевании резиновой трубки на стеклянную, с прочностью стекла. Если учащиеся, пришедшие в профтехучилище, не владеют необходимыми навыками работы со стеклом, мастеру производственного обучения необходимо прежде всего научить будущих лаборантов этим приемам. [32]
Доказано, что энергия активации электросопротивления стекла при низких температурах выше ( около 21 ккал) у отожженного, чем у закаленного стекла ( около 15 ккал); это служит вес) - ким доказательством теории - хрупкости стекла , развиваемой Фицджеральдом ( J. V. Fitzgerald [267], 34, 1951, 388 и ниже) ( ср. [33]
Для меня пластмассы - постоянный источник восхищения; они представлены рядом искусственных материалов различных цветов: от прозрачных до любого спектрального - пропускающих свет и матовых; с неограниченным выбором фактур: от гладкости драгоценного камня до шероховатости обнаженного заполнителя бетона; материалов с диапазоном прочности на разрыв от тягучести каучукообразного клея до хрупкости стекла . [34]
Ударная прочность стекла возрастает с увеличением сопротивления стекла сжатию, благодаря - чему закалка стекла повышает его сопротивление удару в несколько раз. Хрупкость стекла зависит также от толщины стенки и формы образца. [35]
Хрупкость стекла не является результатом его молекулярной структуры, она вызывается наличием поверхностных трещин. [36]
Большинство капиллярных колонок изготавливают из стекла, которое обладает наименьшей адсорбционной и каталитической активностью среди всех применяемых материалов. Хрупкость стекла компенсируется тем, - что стеклянные капилляры с чистой внутренней поверхностью легко изготовить в лаборатории. Металлические капилляры, главным образом из нержавеющей стали и меди, применяют в основном для анализа углеводородов, а из полимерных материалов не применяют почти совсем. [37]
Большинство приборов и установок в химических лабораториях изготовлено из стекла. Ввиду хрупкости стекла работники лаборатории должны знать безопасные приемы работы с такими приборами. [38]
При этом, однако, следует учитывать хрупкость стекла и возможность его поломки при облицовке каменкой или бетонной конструкции. Поэтому лучше укладывать стеклянные плитки толщиной 1 см, оставляя между ними зазоры в 3 мм и разделывая швы химически стойкими вяжущими материалами. [39]
Прокладки для стеклянных труб с гладкими концами должны создавать между торцами труб эластичную прослойку и не допускать непосредственного контакта торцов. Это требование должно соблюдаться в связи с хрупкостью стекла , а также непараллельностью торцов труб. [40]
Применяемые для стеклянных трубопроводов прокладки должны создавать между торцами труб достаточно эластичную прослойку. Это требование должно соблюдаться в связи с хрупкостью стекла , а также практической невозможностью соблюдения абсолютной параллельности торцовых плоскостей соединяемых труб. [41]
Под хрупкостью понимают свойство материала внезапно разрушаться при ударном воздействии. Стекло относится к типично хрупким материалам, причем именно хрупкость стекла часто определяет возможности его применения в различных областях техники. [42]
В связи с тем что водород в семь раз легче азота, возможно расслоение атмосферы и проникновение его в зону образования спая. Водород, попавший в зону спекания, восстанавливает окисную пленку на коваровых деталях, сильно увеличивает хрупкость стекла . При смещении восстановительной водородной зоны по туннелю возможны выбросы пламени. При смещении защитной азотной зоны в сторону восстановительной возможны потемнения спекаемых деталей вследствие окисления. Поэтому необходимо следить, чтобы водород в зону спекания не попадал, а газовый режим был стабилен. [44]
Изменить свойства материалов очень трудно. Например, совершенно невозможно изменить вес и упругость стали, мягкость дерева, твердость бетона, хрупкость стекла . [45]
Стекло – это неорганическая смесь, расплавленная при высокой температуре, которая затвердевает при охлаждении, но не кристаллизуется.
Виды стекла
Кварцевое стекло
Кварцевое стекло получают плавлением кремнезёмистого сырья высокой чистоты. Кварцевое стекло состоит из диоксида кремния SiO2 и является самым термостойким стеклом: коэффициент его линейного расширения в пределах 0 - 1000 °С составляет всего 6х10 -7 . Поэтому раскаленное кварцевое стекло, опущенное в холодную воду, не растрескивается.
Температура размягчения кварцевого стекла, при которой достигается динамическая вязкость 10 7 Пуаз (10 Пахс) равна 1250 °С. При отсутствии значительных перепадов давления кварцевые изделия можно применять до этой температуры. Полное же плавление кварцевого стекла, когда из него можно изготавливать изделия, наступает при 1500-1600 °С.
Известно два сорта кварцевого стекла: прозрачный кварц и молочно-матовый. Мутность последнего вызвана обилием мельчайших пузырьков воздуха, которые при плавке стекла не могут быть удалены из-за высокой вязкости расплава. Изделия из мутного кварцевого стекла обладают почти такими же свойствами, как и изделия из прозрачного кварца, за исключением оптических свойств и большей газовой проницаемости.
Поверхность кварцевого стекла обладает незначительной адсорбционной способностью к различным газам и влаге, но имеет наибольшую газопроницаемость среди всех стекол при повышенной температуре. Например, через кварцевую трубку со стенками толщиной в 1 мм и поверхностью 100 см 2 при 750 °С за один час проникает 0,1 см 3 Н2, если перепад давлений составляет 1 атм (0,1 МПа).
Кварцевое стекло следует тщательно предохранять от всяких загрязнений, даже таких как жирные следы от рук. Перед нагреванием кварцевого стекла имеющиеся на нем непрозрачные пятна снимают при помощи разбавленной фтороводородной кислоты, а жировые - этанолом или ацетоном.
Кварцевое стекло устойчиво в среде всех кислот, кроме HF и Н3РO4. На него не действуют до 1200 °С С12 и НСl, до 250 °С сухой F2. Нейтральные водные растворы NaF и SiF4 разрушают кварцевое стекло при нагревании. Оно совершенно непригодно для работ с водными растворами и расплавами гидроксидов щелочных металлов.
Кварцевое стекло при высокой температуре сохраняет свои электроизоляционные свойства. Его удельное электрическое сопротивление при 1000 °С равно 10 6 Омхсм.
Обычное стекло
К обычным стеклам относятся известково-натриевое, известково-калиевое, известково-натриево-калиевое.
Известково-натриевое (содовое), или натрий-кальций-магний-силикатное, стекло применяют для выработки оконных стекол, стеклотары, столовой посуды.
Известково-калиевое (поташное), или калий-кальций-магний-силикатное, стекло обладает более высокой термостойкостью, повышенным блеском и прозрачностью; используется для выработки высококачественной посуды.
Известково-натриево-калиевое (содово-поташное), или натрий-калий-кальций-магний-силикатное, стекло имеет повышенную химическую стойкость, благодаря смешению окислов натрия и калия; наиболее распространено в производстве посуды.
Боросиликатное стекло
Стекла с высоким содержанием SiO2, низким – щелочного металла и значительным – оксида бора B2O3 называются боросиликатными. Борный ангидрид действует как флюс для кремнезема, так что содержание щелочного металла в шихте может быть резко уменьшено без чрезмерного повышения температуры расплавления. В 1915 году фирма Corning Glass Works начала производить первые боросиликатные стекла под торговым названием Pyrex. Стекло марки Pyrex является боросиликатным стеклом с содержанием не менее 80% SiO2, 12-13% В2O3, 3-4% Na2О и 1-2% Аl2О3. Оно известно под разными названиями: Corning (США), Duran 50, Йенское стекло G20 (Германия), Гизиль, Монекс (Англия), ТС (Россия), Совирель (Франция), Simax (Чехия).
В зависимости от конкретного состава стойкость к термоудару таких стекол в 2–5 раз выше, чем у известковых или свинцовых; они обычно намного превосходят другие стекла по химической стойкости и имеют свойства, полезные для применения в электротехнике.
Хрустальное стекло
Хрустальные стекла (хрусталь) — высокосортные стекла, обладающие особым блеском и способностью сильно преломлять свет. Различают свинцовосодержащие и бессвинцовые хрустальные стекла.
Свинцовосодержащие хрустальные стекла — свинцово-калиевые стекла, вырабатывают с добавлением окис лов свинца, бора и цинка. Характеризуются повышен ным весом, красивой игрой света, мелодичным звуком при ударе; применяют для производства высококачест венной посуды и декоративных изделий. Наибольшее применение имеет хрусталь с содержанием от 18 до 24% окислов свинца и 14—16,5% окиси калия (лег кий).
К бессвинцовым хрустальным стеклам относятся баритовое, лантановое и др.
Баритовое стекло содержит повышенное количество окиси бария. Обладает лучшим блеском, более высо кой светопреломляемостью и удельным весом по срав нению с обычными стеклами, применяют как опти ческое и специальное стекло.
Лантановое стекло содержит окись лантана La2О3 и лантаниды (соединения лантана с алюминием, медью и др.). La2О3 повышает светопреломление. Отличается высоким качеством; применяется как оптическое.
Свойства стекла
Плотность стекла зависит от его химического состава. Плотность — отношение массы стекла при данной температуре к его объему, зависит от состава стекла (чем больше содержание тяжелых металлов, тем стекло плотнее), от характера термической обработки и колеблется в пределах от 2 до 6 (г/см 3 ). Плотность — постоянная величина, зная ее, можно судить о составе стекла. Наименьшей плотностью обладает кварцевое стекло — от 2 до 2,1 (г/см 3 ), боросиликатное стекло имеет плотность 2,23 г/см 3 , наибольшей — оптические стекла с высоким содержанием окислов свинца — до 6 (г/см 3 ). Плотность известково-натриевого стекла составляет около 2,5 г/см 3 , хрустального — 3 (г/см 3 ) и выше. Табличным значением плотности стекла является диапазон от 2,4 до 2,8 г/см 3 .
Прочность. Прочностью называется способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних нагрузок. Прочность характеризуется пределом прочности. Предел прочности на сжатие для различных видов стекла колеблется от 50 до 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. 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. Химический состав влияет на прочность стекла при растяжении примерно так же, как и на прочность при сжатии.
Твердость стекла, как и многие другие свойства, зависит от примесей. По шкале Мооса она составляет 6-7 ед, что находится между твёрдостью апатита и кварца. Твердость различных видов стекла зависит от его химического состава. Наибольшую твердость имеет стекло с повышенным содержанием кремнезема — кварцевое и боросиликатное. Увеличение содержания щелочных окислов и окислов свинца снижает твердость; наименьшей твердостью обладает свинцовый хрусталь.
Хрупкость — свойство стекла разрушаться под действием ударной нагрузки без пластической деформации. Сопротивление стекла удару зависит не только от его толщины, но и от формы изделия, наименее устойчивы к удару изделия плоской формы. Для повышения прочности к удару в состав стекла вводят окислы магния, алюминия и борный ангидрид. Неоднородность стекломассы, наличие дефектов (камней, кристаллизации и других) резко повышают хрупкость. Сопротивление стекла удару увеличивается при его отжиге. В области относительно низких температур (ниже температуры плавления) стекло разрушается от механического воздействия без заметной пластической деформации и, таким образом, относится к идеально хрупким материалам (наряду с алмазом и кварцем). Данное свойство может быть отражено удельной ударной вязкостью. Как и в предыдущих случаях, изменение химического состава позволяет регулировать и это свойство: например, введение брома повышает прочность на удар почти вдвое. Для силикатных стекол ударная вязкость составляет от 1,5 до 2 кН/м, что в 100 раз уступает железу. 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.
Прозрачность – одно из важнейших оптических свойств стекла. Определяется отношением количества прошедших через стекло лучей ко всему световому потоку. Зависит от состава стекла, обработки его поверхности, толщины и других показателей. При наличии примесей окиси железа прозрачность уменьшается.
Термостойкость стекла характеризуется его способностью выдерживать, не разрушаясь, резкие изменения температуры и является важным показателем качества стекла. Зависит от теплопроводности, коэффициента термического расширения и толщины стекла, формы и размеров изделия, обработки поверхности, состава стекла, дефектов. Термостойкость тем выше, чем выше теплопроводность и ниже коэффициент термического расширения и теплоемкость стекла. Толстостенное стекло менее термостойко, чем тонкое. Наиболее термостойко стекло с повышенным содержанием кремнезема, титана и бора. Низкую термостойкость имеет стекло с высоким содержанием окислов натрия, кальция и свинца. Хрусталь менее термостоек, чем обычное стекло. Термостойкость обыкновенного стекла колеблется в пределах 90—250 °С, а кварцевого: 800—1000°С. Отжиг в специальных печах повышает термостойкость в 2,5—3 раза.
Теплопроводность — это способность материала, в данном случае стекла, проводить тепло без перемещения вещества этого материала. У стекла коэффициент теплопроводности равен 1-1,15 Вт/мК.
Тепловое расширение — это увеличение линейных размеров тела при его нагревании. Коэффициент линейного теплового расширения стекол колеблется от 5·10 -7 до 200·10 -7 . Самый низкий коэффициент линейного расширения имеет кварцевое стекло — 5,8·10 -7 . Величина коэффициента термического расширения стекла в значительной степени зависит от его химического состава. Наиболее сильно на термическое расширение стекол влияют щелочные окислы: чем больше содержание их в стекле, тем больше коэффициент термического расширения. Тугоплавкие окислы типа SiO2, Al2O3, MgO, а также B2O3, как правило, понижают коэффициент термического расширения.
Упругость — способность тела возвращаться к своей первоначальной форме после устранения усилий, вызвавших деформацию тела.
Упругость характеризуется модулем упругости. Модуль упругости — величина, равная отношению напряжения к вызванной им упругой относительной деформации. Различают модуль упругости при осевом растяжении — сжатии (модуль Юнга, или модуль нормальной упругости) и модуль сдвига, характеризующий сопротивление тела сдвигу или сколу и равный отношению касательного напряжения к углу сдвига.
В зависимости от химического состава модуль нормальной упругости стекол колеблется в пределах 4,8х10 4 . 8,3х10 4 , модуль сдвига —2х10 4 —4,5х10 4 МПа. У кварцевого стекла модуль упругости составляет 71,4х10 3 Мпа. Модули упругости и сдвига несколько повышаются при замене SiO2 на СаО, B2O3, Al2O3, MgO, ВаО, ZnO, PbO.
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: