Механические свойства стекла
Механические свойства стекла зависят от характера напряженного состояния и определяются сопротивлением сжатию, изгибу, растяжению, удару, внедрению и др.
Стекло неодинаково ведет себя при различных типах деформаций. Так, например, по сопротивлению сжатию стекло имеет высокую прочность, а по сопротивлению удару — весьма низкую.
Недостаточная механическая прочность и хрупкость стекла является главным препятствием более широкого применения стекла в качестве строительного и конструкционного материала, но никак не влияет на уф печать на стекле.
Для повышения механических свойств стекла предложен ряд способов: закалка, армирование, триплексование, травление поверхности и покрытие ее различными пленками, мнкрокристаллизация (ситалл, пирокерам). Эти способы позволяют повысить сопротивление изгибу: закалка в 4—5 раз, травление и покрытие пленками в 5—10 раз, микрокристаллизация в 10—15 раз.
Прочность стекла зависит от состава, температуры, состояния поверхности, размеров, скорости нагружения, условий испытания стекла, наличия дефектов, степени отжига и др.
Прочность массивного стекла при разрыве или изгибе в зави-симости от состава колеблется в пределах 5—10 кГ/мм2. Прочность стеклянного волокна составляет 300—400 кГ/мм2. В то же время известно, что теоретическая прочность стекла при разрыве, рассчи-танная разными способами, составляет около 1000 кГ/мм2. Различие теоретической и технической прочности обусловлено поверхностными трещинами и царапинами, негомогенностью, наличием слабых мест в структуое и другими причинами.
Прочность стекла при сжатии составляет 50—200 кГ/мм2; при ударном изгибе 1,5—2,0 кГ/см2.
Прочность стекла при статическом изгибе почти не отличается от прочности при растяжении.
Величина предела прочности стекла в значительной степени определяется условиями испытаний. Обычно применяют испытания на поперечный изгиб, при котором поврежденные при вырезке образца края могут находиться как в сжатом, так и в растянутом состоянии (прочность поврежденных краев), и испытания на симметричный изгиб (прочность поверхности), при котором края образца находятся в сжатом состоянии.
В связи с этим различают прочность поврежденных краев и прочность поверхности, причем последняя значительно превышает первую.
Зависимость прочности от состава
Прочность стекол в зависимости от состава колеблется в пределах 3.5—8,5 кГ/мм2.
Повышают прочность окислы СаО, В2О2, BaO, ZnO, А12О3.
Прочность стекла в значительной степени определяется состоянием поверхности.
Наличие дефектов края образца оказывает значительное влияние на прочность.
Если при испытании плоскость, поврежденная алмазом, находится в сжатии, то прочность пластинки оказывается выше по сравнению с положением, когда поврежденная плоскость испытывает растяжение.
Влияние свили
Особо опасна свиль, находящаяся в состоянии растяжения и расположенная на поверхности изделия или вблизи ее. Участок стекла со свилью ослаблен и является исходной точкой разрушения. В сочетании с растягивающими усилиями при изгибе, тепловом ударе и других напряжениях такая свиль резко снижает прочность стекла.
Зависимость прочности от размеров
Влияние размеров стеклянных образцов на прочность (масштабный фактор) проявляется главным образом при изменении толщины.
Скорость приложения нагрузки, т. е. время ее действия от начала нагружения до разрушения стекла, оказывает значительное влияние на прочность. При более продолжительной нагрузке стекло обнаруживает меньшую прочность, чем при кратковременной.
Воздействие длительных нагрузок на стекло сопровождается снижением предела прочности (усталость), определяемого обычно при быстром приложении нагрузки (10—20 сек.). При длительном воздействии нагрузок прочность снижается примерно в 3 раза, после чего снижение прекращается.
Установлено, что если изделие из стекла не разрушается при действующих напряжениях в течение месяца, то оно способно выдерживать эти напряжения длительное время (годы).
Циклические нагрузки снижают прочность стекла аналогично статическим. Усталость стекла обусловлена влиянием окружающей среды.
Влияние окружающей среды
Воздействие окружающей среды вызывает снижение прочности и при кратковременных нагрузках. Прочность образцов из стекла, предварительно обработанных в вакууме, снижается на 15% при увеличении относительной влажности от 0 до 100%, а при изменении вакуума от 0,05 до 750 мм рт. ст. прочность снижается на 200%. Наибольшее понижение прочности вызывает вода.
Специальная обработка стекла в воде может увеличить его прочность; при обработке в автоклаве при давлении 50 ат в течение 24 час. обнаружено повышение прочности на 300%. Воздействие газов, содержащих SОз, С02 и др., увеличивает прочность.
Зависимость прочности от температуры
Прочность стекла минимальна при +200°. При температуре —200° и +500° прочность повышается примерно вдвое. Увеличение прочности при снижении температуры объясняется уменьшением действия поверхностно-активных веществ (влаги), при высоких температурах появляется возможность пластических деформаций.
В интервале температур от —30° до +60° прочность стекла практически не меняется.
Свойства стекол повышенной прочности
Прочность отожженных стекол может быть повышена путем их закалки и травления, а также сочетанием этих методов. Например, прочность на изгиб после закалки повышается в 4—5 раз, достигая величины 30—40 кГ/мм2. Промышленные закаленные стекла имеют прочность около 20—25 кГ/мм2.
Установлено, что при травлении стекла плавиковой кислотой происходит растворение поверхностного слоя, при этом удаляются наиболее опасные дефекты, в результате чего прочность стекла может быть повышена в 3—4 раза и более.
Упрочнение стекла с помощью стравливания поверхностного дефектного слоя стекла и с последующей защитой полученной поверхности силиконовой пленкой применено голландской фирмой Теттероде. По утверждению фирмы, в результате этой комбинированной обработки стекла его прочность возрастает в 20 раз.
С. И. Сильвестрович и И. А. Богуславский разработали метод термохимической обработки стекла, в результате которого сопротивление изгибу увеличивается до 55—57 кГ/мм2. Стекло нагревают до температуры на 5—10° ниже температуры начала размягчения и выдерживают при этом в течение 5 мин., затем погружают в ванну с кремнийорганической жидкостью (например, этилполисилоксановой жидкостью), а затем высушивают при 200° С.
Такая обработка позволяет получить закаленное стекло с поверхностью, защищенной кремнекислородной пленкой (SiО2).
Комбинируя методы закалки и травления, прочность стекла может быть повышена до 80—90 кГ/мм2, но при этом нижняя граница (минимальные значения прочности отдельных образцов одной серии) лежит в пределах 30—40 кГ/мм2.
Ввиду того, что поверхность стекла легко может быть повреждена механическими царапинами и воздействием окружающей среды, ее защищают (обычно после травления) различными гидрофобными покрытиями, которые сами по себе прочности не изменяют.
С использованием: Китайгородский И.И. Справочник по производству стекла, Том 1. Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам. Москва, 1963 г.
