Механические свойства стекла

Прочность стекла мало зависит от его химического состава, и разные виды стекла в этом отношении весьма сходны, но большое влияние на прочность оказывает тип поверхности стекла. Теоретически предел прочности стекла при растяжении превы­шает 2 х Ю⁶ psi¹ (137 900 МПа). Реальная прочность стекла, прошедшего отжиг, со­ставляет от 20,7 до 55,2 МПа. Стекло типа «сталинит» (используется в автомобиле­строении) переносит сильное сжимающее напряжение наружного слоя, имеет высокую упругость внутреннего слоя и прочность от 82,74 до 275,8 МПа, а новые химиче­ские технологии обработки позволяют добиться прочности до 1379 МПа. Гладкая поверхность бутылки непосредственно после извлечения из формы выдерживает напряжение от 689,5 МПа и более, однако при появлении на поверхности малей­ших царапин или выбоин прочность снижается более чем вдвое. К моменту достав­ки в магазины сосуд уже имеет очень низкую прочность — до 20,7 МПа.

Объяснить такое резкое снижение прочности хрупких материалов помогает поня­тие «концентрации напряжений». Заостренный конец трещины любого материала подвергается наибольшему напряжению, но если материал пластичный, то острие трещины расширяется, она как бы притупляется, напряжение тем самым снижается, и дальнейшего разрушения материала не происходит. У большинства пластичных материалов на вершине надреза происходит «деформационное упрочнение», доста­точное для того, чтобы компенсировать возрастание напряжения в этой точке. В слу­чае с хрупкими материалами, такими, как стекло, прочность материала у начала тре­щины зачастую не выдерживает напряжения. Трещина расширяется, что весьма быс­тро приводит к разрушению материала.

Известно, что на любой стеклянной поверхности имеются микротрещины, по­явившиеся в результате хранения и транспортирования товара, и их число составля­ет от 1000 на см² на тонком листовом стекле до более чем 50 ООО на см² для стекла товарных сортов. Микротрещины могут быть очень маленькими, но если они доста­точно узкие, то происходит довольно значительная концентрация напряжения. Этот эффект пропорционален квадратному корню от отношения глубины зазубрины тре­щины к радиусу ее основания. Таким образом, узкая трещина глубиной всего в 1 мкм может привести к порче материала.

До того как сосуд окажется в печи для отжига и/или после извлечения оттуда на него можно нанести различные виды покрытий, защищающих поверхность и по воз­можности сохраняющих первоначальную прочность изделия. Покрытие не может непосредственно увеличить прочность, но в основном действует как смазка, благода­ря которой снижается вероятность повреждения поверхности при соприкосновении сосудов друг с другом или с машиной (табл. 1.3 и 1.4)

Слишком быстрое охлаждение стекла ведет к тому, что в нем остаются дефекты, и из-за этого оно становится более хрупким.

По этой причине банки и бутыли всегда проходят через печь для отжига, где стек­ло нагревается до температуры 537,8 °С, при которой выдерживается в течение 15 мин. Затем происходит очень медленное остывание до комнатной температуры, благода­ря которому любые деформации, возникшие при соприкосновении с формой и кон­вейером, менее опасны для изделия.

Иногда возникают дефекты, так называемые свили, которые невозможно устра­нить путем отжига. Причиной их является недостаточное перемешивание стекломас­сы в ванной печи, и состав стекла оказывается неодинаковым. Выпущенные в таком случае сосуды непрочны и могут самопроизвольно разбиться. Эти дефекты можно обнаружить с помощью полярископа, отделяя фрагменты стекла и анализируя цвет­ные зоны, образованные поляризованным светом. Свили обычно считаются значи­тельным дефектом.

Таблица 1.4 Смазывающая способность покрытий стекла

Вид покрытия	Максимальный коэффициент трения	Угол предельного равновесия
Силиконовое масло	0,26
Полиэтилен	0,27
Глицерид	0,28
Полиоксиэтилен	0,29
Стеарат	0,30
Оксид металла	0,40
Стекло без покрытия	0,84