Главная | Обратная связь

Механические свойства

Строение стекла

Разные стекла имеют различное строение и отличаются типом химических связей, степенью микрогетерогенности, характером полимерной структуры и другими особенностями.

По кристаллитной гипотезе строение стекла представляется в виде каркаса, состоящего из беспорядочно расположенных атомов или ионов, образующих так называемые кристаллиты, которые составляют основную массу стекла.

Кристаллитная структура стекла

 

Стекло не имеет строго ориентированного расположения частиц, его структура по всем правилам однородна, о чем свидетельствует отсутствие двойного лучепреломления.

Структура стекла представляет собой непрерывную пространственную сетку, в узлах которой расположены ионы, атомы или атомные группы. В отличие от кристаллической эта сетка является неправильной. Сетка стекла в данном случае образуется за счет повторения соответствующей элементарной ячейки, при этом нет той упорядоченности, которая наблюдается в кристаллической решетке.

а	б	а	б
Схемы структуры кремнезема: а – стеклообразной, б – кристаллической	Схема непрерывной структурной сетки стекла: а - кварцевого; б – натрийсиликатного

 

Свойства стекла

Стекло – жесткий, твердый, но очень хрупкий материал.

Стекло характеризуется изотропностью свойств (они одинаковы в любом направлении).

Механические свойства

Величина модуля упругостистекол различного химического состава колеблется от 470 до 860 МПа, кварцевого стекла – 650-720 МПа. Повышают модуль упругости СаО, В₂О₃ (до 12 %), а также MgO, ZnO, BaO, РbО; щелочные окислы снижают его. С помощью модуля упругости можно характеризовать термические и прочностные свойства изделий. Чем больше модуль упругости стекла, тем выше его прочность, меньше деформация, которую способен выдержать образец за счет возникающих в нем больших напряжений, и термическая стойкость. Стекло неодинаково ведет себя при различных видах нагрузок. Оно хорошо сопротивляется сжатию и хуже растяжению и изгибу.

Разрушающее напряжение при сжатиидля стекла равно 50-200 МПа (s_сж = 400-600 МПа), что в 15-20 раз больше прочности при растяжении. На повышение прочности при сжатии положительно влияют окислы алюминия, магния, кремнезем. Щелочные окислы оказывают отрицательное влияние.

Разрушающее напряжение при растяженииколеблется от 3,5 до 9 МПа (30-90 МПа) и зависит от химического состава стекла, состояния поверхности и диаметра образца. Наличие на поверхности мельчайших трещин и царапин резко снижает прочность при растяжении. Прочность стеклянных нитей сильно повышается с уменьшением их диаметра, особенно менее 8 мкм. Так, при уменьшении диаметра нити от 0,1 до 0,03 мкм разрушающее напряжение возрастает от 5 до 10 МПа.

Прочность при растяжении повышается при наличии в стекле СаО, ВаО, РbО и Al₂O₃. При содержании окислов бора до 15 % прочность повышается, свыше 15 % – резко снижается.

Прочность стекла может быть повышена путем термической обработки (закалки), полировки, травления, ионным обменом и другими способами. Прочность закаленного стекла в 3-4 раза выше, чем отожженного, так как при закалке в поверхностном слое создаются большие, но равномерно распределенные напряжения, которые и ослабляют расклинивающее действие трещин и царапин.

Увеличение прочности стекла при воздушном закале объясняется повышением напряжений сжатия в поверхностных слоях, а также некоторыми структурными особенностями, что подтверждается определением спектров поглощения.

В результате предварительной обработки поверхности стекла плавиковой кислотой или смесью растворов солей устраняются дефекты поверхности и упрочняется поверхностный слой за счет изменения химического состава, при этом прочность стекла при растяжении повышается в 4-5 раз.

При кислотном травлении прочность стержней из натриево-известкового стекла возрастает со 100 до 2100 МПа. Однако быстрое охлаждение их в масле снижает прочность до 700 МПа, что объясняется образованием на поверхности стекла новых микротрещин. После повторного травления прочность стержней восстанавливается; при этом имеет значение глубина поверхностных трещин. При глубине травления на 10-15 мкм (при снятии слоя стекла на эту толщину) прочность повышается.

Перспективным методом упрочнения стекла является закалка в кремнийорганических жидкостях с последующим травлением в 20%-ном растворе плавиковой кислоты. При этом на поверхности стекол образуется кремнийкислотная полимерная пленка и устраняются микротрещины, в результате чего прочность стекла повышается в несколько раз.

Прочность стекла повышается и при огневой полировке поверхности, в результате которой заплавляются микротрещины.

Повышение напряжения в поверхностном слое увеличивается при введении в него методом диффузии ионов лития, вытесняющих ионы калия и натрия. При содержании в стекле определенного количества глинозема и кремнезема могут образоваться особые кристаллы, которые повышают напряжения сжатия, обусловливающие увеличение прочности. Так, прочность стекла на изгиб повышается до 100– 140 МПа. С увеличением прочности повышается термическая стойкость стекла.

Твердостьстекла определяют различными методами: вдавливанием и царапанием, шлифованием и др. По минералогической шкале твердость стекла между 5-7 (апатитом и кварцем). Она может быть повышена путем термической обработки.

Более прочным является бесщелочное и кварцевое стекло.

Вязкостьстекла в жидком состоянии, или коэффициент внутреннего трения, характеризует способность частиц перемещаться внутри данного вещества в зависимости от температуры.

Вязкость стекла зависит от природы и количества окислов, входящих в его состав. Повышают вязкость стекла окислы алюминия, цинка, кремнезем. Окислы кальция и бора понижают вязкость при высоких температурах и повышают при низких, при этом сокращается время выработки изделий. Окислы натрия, калия, магния, марганца, свинца, бария разжижают стекло, в результате время изготовления изделий увеличивается. При замене окиси кальция окисью магния вязкость стекла при высокой температуре увеличивается.

Вязкость стекла при варке (при температуре 1450– 1500 °С) составляет от 10 до 10² Па×с, при формировании (1180 °С) – от 10³ до 10⁹ Па×с. Благодаря высокой вязкости стекла из него можно изготовлять изделия различных размеров и формы.

Хрупкость стекла во многом зависит от толщины образца, степени его однородности и термической обработки. С увеличением толщины и однородности сопротивление образца удару возрастает. Прочность на удар закаленных стекол повышается в 5-7 раз.

Самыми твердыми являются кварцевые, высокоглиноземистые и боро-силикатные стекла, самыми мягкими – хрустальные и богатые щелочными окислами. Чем выше твердость стекла, тем меньше царапин и повреждений образуется на поверхности изделий, дольше сохраняется блеск и выше механическая прочность.

Стекло – хрупкий материал, что ограничивает его применение. Значение хрупкости разных по составу стекол неодинаково. Так, для оконного стекла оно равно 0,1-0,25 МПа, а для хрустального значительно выше.