Главная » Статьи » Почему стекло становится закаленным?

Почему стекло становится закаленным?

Известно, что теоретическая прочность листового стекла при изгибе по разным оценкам составляет от 7 до 10 ГПа, однако, реальная прочность стекла на несколько порядков ниже (например, для флоат-стекла она примерно равна 15 МПа). Такое различие теоретической и реальной прочности объясняется наличием на поверхности стекла большого количества микродефектов, так называемых «трещин Гриффитса», которые образуются в поверхностном слое стекла в результате абразивного действия твердых частиц, контакта с поверхностями твердых тел, химического взаимодействия с влагой и газами воздуха и ряда других факторов. При приложении к стеклу механической нагрузки эти микротрещины становятся сильными концентраторами напряжений, что, в конечном счете, приводит к тому, что стекло разрушается при сравнительно небольших нагрузках. Поскольку этот эффект сказывается только при растяжении слоя стекла, то прочность стекла на сжатие близка к теоретическому значению.

Для снижения негативного влияния поверхностных микротрещин на механическую прочность стекла применяют специальные методы дополнительной обработки стекла: термическое упрочнение (закалка) - для получения закаленного и термоупрочненного стекла; ионный обмен и химическое травление - для получения химически упрочненного стекла.

Закаленное стекло представляет собой стекло, подвергнутое специальной термической обработке (закалке), в результате которой существенно повышается механическая и термическая прочность стекла и обеспечивается особый (безопасный) характер его разрушения.

Суть этого метода упрочнения состоит в равномерном нагреве изделия из стекла до определенной температуры (температуры закалки) и последующем быстром его охлаждении. В результате этого в объеме стекла возникают равномерно распределенные внутренние напряжения: сжимающие – в поверхностных слоях стекла и растягивающие – во внутренних. При этом напряжения должны быть сбалансированы по толщине стекла таким образом, чтобы их сумма равнялась нулю.

Влияние остаточных внутренних напряжений на прочность стекла и идеи его закалки проиллюстрировано на рисунке 1. При этом в закаленном стекле без нагрузки заштрихованная площадь справа от нулевой линии должна равняться заштрихованной площади слева от этой линии.

Рисунок 1 – Распределение напряжений в стекле: а) отожженное стекло под нагрузкой; b) закаленное стекло без нагрузки; с) закаленное стекло под нагрузкой (Р – изгибающая сила; (-) – напряжения сжатия; (+) – напряжения растяжения)

При воздействии на стекло изгибающей нагрузки его разрушение происходит под действием временных напряжений растяжения, возникающих на противоположной от нагружаемой поверхности стекла, при достижении ими значений, превышающих предел прочности стекла при растяжении. При нагружении закаленного стекла результирующие напряжения складываются из остаточных напряжений, созданных закалкой, и временных напряжений, вызванных нагружающей силой. В этом случае «опасные» напряжения растяжения частично или полностью компенсируются закалочными напряжениями сжатия, так что стекло может выдержать значительно более высокие нагрузки. А большие сжимающие напряжения стеклу не страшны. Именно поэтому, в целом, закаленное стекло демонстрирует гораздо большую прочность на сжатие или изгиб, чем обычное отожженное.

Председатель Технический комитет по стандартизации ТК 41 «Стекло»,

заведующий отделом стандартизации и испытаний ОАО «Институт стекла»,

руководитель испытательной лаборатории «Стекло»,

лауреат премии Правительства России в области науки и техники,

к.т.н. А.Г. Чесноков