Основные сведения о напряжениях в стекле

При длительном воздействии внешних нагрузок возникает так называемая «усталость» стекла и ухудшаются его прочностные характеристики. Это приводит к тому, что стеклодеталь, ранее выдержавшая однократные или даже многократные повышенные нагрузки, может разрушиться при последующих менее интенсивных нагрузках. Следует учитывать, что величина и длительность воздействия внешней нагрузки (например, повышенного внешнего давления) по характеру разрушающего действия на стекло эквивалентны: например, воздействие на стеклооболочку испытательного давления 350 кПа (3,5 атм) в течение 1 мин равносильно воздействию эксплуатационного давления 100 кПа в течение 80 лет. Это значит, что оболочки, подвергнутые испытанию при давлении 350 кПа, имеют на 80 лет укороченную долговечность и теряют имевшийся у них потенциальный запас механической прочности.

Между частицами стекла действуют силы взаимодействия, Удерживающие их в твердом теле. Эти силы имеют различные направления. Идеальное стекло обладает изотропностью, т.е. оно имеет одинаковые свойства и одинаковые силы сцепления во всех направлениях. При этом равнодействующая сил сцепления между частицами стекла в одном направлении равна равнодействующей этих сил в других направлениях.

Напряжением в стекле в каком-либо направлении называется отношение равнодействующей сил сцепления между частицами стекла в этом направлении к суммарной поверхности взаимодействующих частиц. Таким образом, в стекле, которое на практике обычно называется ненапряженным, в действительности всегда имеются напряжения, но они равны по абсолютной величине во всех направлениях и компенсируют друг друга.

Напряженным принято называть стекло, в котором к внутренним взаимно скомпенсированным силам взаимодействия между частицами стекла добавлены нескомпенсированные силы, стремящиеся расширить или сжать его в каком-либо избирательном направлении. В напряженном стекле напряжения в различных направлениях неодинаковы и не компенсируют друг друга. Поэтому напряженное стекло является анизотропным, т. е. имеет различные свойства в разных направлениях. Эти добавочные напряжения называются напряжениями растяжения или сжатия в зависимости от их направлений. Если эти напряжения сжатия и особенно растяжения велики и превышают силы сцепления между частицами стекла, то оно разрушается (растрескивается). Таким образом, снижение механической прочности стекла и его растрескивание обусловливается не наличием напряжений в стекле, а неравномерным распределением напряжений (т. е. наличием нескомпенсированных напряжений растяжения или сжатия). Напряжения растяжения более опасны, чем сжатия (прочность стекла при сжатии 5-10⁸ Па, а при растяжении — менее 5-10⁵ Па). В стекле могут быть термические или коэффициентные напряжения.

Термические напряжения возникают при нагреве или охлаждении стекла: появление термических напряжений объясни ется низкой теплопроводностью и инерционностью стекла, приводящей к градиенту температур между поверхностными и внутренними слоями стекла в процессе его нагрева и охлаждения. Термические напряжения тем выше, чем больше разность (градиент) температур между поверхностными и внутренними слоями стекла и соответственно чем толще стекло и больше скорость охлаждения.

Различают постоянные и временные термические напряжения.

Постоянные термические напряжения могут образоваться только в процессе охлаждения стекла, в период перехода его из пластичного состояния в твердое. Поэтому возникновение постоянных термических напряжений происходит только в температур_ном интервале от температуры размягчения до температуры трансформации стекла (см. с. 128). Однако, возникнув в этом температурном интервале, постоянные напряжения сохраняются и после затвердевания всей толщи стекла и его охлаждения до комнатной температуры. Это объясняется следующими физико-химическими процессами. Разогретые поверхностные слои стекла отдают теплоту контактирующему с ними атмосферному воздуху, интенсивно охлаждаются, переходят в твердое упругое состояние и соответственно уменьшаются в объеме — при этом к моменту затвердевания внешних слоев стекла внутренние ввиду его малой теплопроводности остаются горячими и находятся в пластичном состоянии. В процессе дальнейшего охлаждения внутренние слои стремятся затвердеть, сжаться и уменьшиться в объеме, однако твердые поверхностные слои препятствуют этому, что приводит к необратимой пластической деформации и принудительному растяжению еще не затвердевших внутренних слоев стекла. Поэтому внутренние слои стекла будут удерживаться внешними в большем объеме, чем объем, который они должны занимать при комнатной температуре. После полного затвердевания всей толщи стекла его внутренние слои будут находиться под действием растягивающих усилий» а внешние — под действием сжимающих (рис. 10.3).

Наличие постоянных напряжений может привести к растрескиванию стеклооболочки в любой момент при изготовлении, хранении и эксплуатации прибора, например, при наличии незначительных механических и термических нагрузок, при сквозняке в помещении и других факторах.

Термические временные напряжения могут возникать как при нагреве (в отличие от постоянных), так и при охлаждении стекла. Эти напряжения возникают только в интервале температур, при которых стекло находится в твердом состоянии, т. е. при температурах ниже температуры трансформации стек-л а.

Временные напряжения, в отличие от постоянных, могут привести к растрескиванию стекла только в период, пока стекло нагревается, охлаждается или действует механическая нагрузка, и не влияют на последующие операции изготовления стеклоизделия и его эксплуатацию.

Временные напряжения возникают и существуют не только при наличии разности температур, но и при наличии механической Стеклянные детали из жидкой стекломассы изготовляются методами прессования, центробежного формования, выдувания и вытягивания при температурах, соответствующих вязкости стекла в пределах 10³ — 10⁵П.