Механические свойства листовых стекол

 

Плотность стекла – важная физическая величина, от которой зависят теплофизические, оптические и другие его свойства. Наименьшую плотность имеет кварцевое стекло (2200 кг/м³), наибольшую до 7000 кг/м³ – свинецсодержащие тяжелые флинты. Плотность бесцветного листового стекла в обычных условиях варьируется в интервале 2450–2550 кг/м³ (в среднем 2500 кг/м³) и с увеличением температуры снижается.

Основные стеклообразующие оксиды по убыванию степени их влияния на плотность стекла располагаются в следующий ряд:
CaO > MgO > Na₂O > Al₂O₃ > SiO₂. Неотожженные и закаленные стекла имеют меньшую плотность, чем отожженные, что объясняется увеличением объема зон, где действуют напряжения растяжения.

Наиболее характерная особенность механических свойств листовых стекол – их хрупкость, связанная с тем, что стекло разрушается практически сразу же после достижения предела упругой деформации, который весьма мал – 0,1–0,2% начальной длины образца.

Вторая особенность – большая разница между прочностью на растяжение либо изгиб, с одной стороны, и прочностью на сжатие – с другой. Дело в том, что прочность стекол определяется количеством дефектов в основном поверхностных, например микротрещин. При сжатии микротрещины смыкаются и в малой степени влияют на прочность, при растягивающих же или изгибающих напряжениях они работают на раскрытие трещины, что приводит к резкому снижению прочности.

Прочность листовых стекол зависит от их размеров, формы, состояния поверхности, температуры, качества отжига или закалки, химического состава, степени химической однородности, условий испытаний и др. Большое число влияющих факторов приводит к большому разбросу данных при определении прочности и необходимости привлечения статистических методов для ее оценки.

Прочность на сжатие листового стекла относительно велика и составляет 700–900 МПа. Прочность на изгиб составляет всего 60–70 МПа, а прочность на растяжение еще меньше (30–50 МПа), в то время как теоретическая прочность стекла, оцениваемая как прочность связей в его структуре, приближается к 7000 МПа. s_т» 0,1Е» 7000 МПа.

С увеличением толщины стекла его прочность на изгиб понижается примерно в три раза при переходе от стекла с толщиной d = 2 мм к d = 9 мм.

Твердость имеет важное значение при действии на стекло истирающих нагрузок и находится в пределах 5–7 баллов по шкале Мооса. Микротвердость листового стекла определяемая путем вдавливания алмазной пирамиды составляет 5400–5700 МПа.

 

Термическая устойчивость

Способность стекла выдерживать без разрушения резкие изменения температуры, имеет большое значение как при получении изделий, так и при их эксплуатации. Известная формула

связывает термостойкость материалов с их физическими свойствами. Здесь D Т _max – разрушающий перепад температуры в изделии, величи-
ной которого и оценивается термостойкость; s_пр – предел прочности при растяжении; а = l / (с × r) – коэффициент температуропроводности; l – коэффициент теплопроводности, с – теплоемкость, r – плотность стекла; Е – модуль упругости (Юнга); a – коэффициент линейного термического расширения; e_max – максимальная упругая деформация при растяжении. Определяющее влияние на термическую устойчивость стекол оказывает величина a (ТКЛР), которая может изменяться более чем в 30 раз в зависимости от химического состава. Наименьшим значением ТКЛР (5,3 × 10^–7 К^–1) и, соответственно, наибольшей термостойкостью (D Т _разр» 1000°С) обладают изделия из кварцевого стекла. Бесцветные листовые стекла имеют a в пределах (85–90) × 10^–7 К^–1 и термическая устойчивость изделий из них невелика ~85°С (при толщине d = 4 мм). Конечно, это свойство стекол зависит от условий теплового воздействия, типа охлаждающей среды, толщины стенок, размеров и формы изделия. Так, негативно влияют на термостойкость большие габариты листов, их разнотолщинность. Влияние толщины листа на термостойкость может быть иллюстрировано следующими данными (табл. 5.3).

 

 

Таблица 5.3

Влияние толщины листового стекла на термическую устойчивость (D Т, °С)

Охлаждающая среда	Толщина стекла, мм
	1,36	2,1	2,13	3,0	3,9	4,62	5,7	5,75	10,9	11,0
Вода	122	95	–	–	84	–	–	80	–	–
Воздух (v = 31,4 м/с)	–	–	487	397	–	230	–	197	124	75

При охлаждении изделий термостойкость существенно ниже, чем при нагреве. Это объясняется тем фактом, что при охлаждении в поверхностных слоях изделия возникают растягивающие напряжения, намного более опасные для целостности изделия, чем напряжения сжатия, возникающие в этих же слоях при нагреве.