Сопротивление растяжению, сжатию и изгибу

1)Сопротивление растяжению

При механических воздействиях стекла ведут себя не так, как например металлы, у которых при сжатии или растяжении сначала получаются пластические деформации, затем появляется текучесть и, наконец, происходит разрыв. У стекол почти отсутствует область текучести. Обладая высоким модулем упругости, стекло выдерживает только медленные и не очень сильные механические воздействия; при динамических или ударных нагрузках оно легко ломается.

Величина сопротивления растяжению является одним из важнейших свойств стекла, от которого зависит прочность стеклянных изделий.

При слишком быстром и неравномерном охлаждении в стекле возникают напряжения растяжения и сжатия. Величину этих напряжений в каждом отдельном случае необходимо учитывать в соответствии с величиной сопротивления растяжению. Для стеклянных изделий значительных размеров разрывающие напряжения считаются допустимыми, если их величина не превышает 1/5 прочности стекла на растяжение.

Прочность на растяжение промышленных стекол, в зависимости от состава, колеблется в пределах от 4 до 12 кг/мм². Расхождение опытных данных с данными, полученными расчетным путем, весьма часто достигают ±20%. При испытании на разрыв на соответствующем приборе необходимо, чтобы усилие, приложенное к палочке стекла, было направлено точно вдоль ее оси, во избежание возникновения изгиба, ведущего к преждевременному разрушению образца. Необходимо также учитывать качество отжига стекла, так как только хорошо отожженные стекла дают сравнимые результаты.

Закаленное стекло имеет более высокие показатели сопротивления растяжению, чем отожженное стекло того же состава, так как в закаленном стекле преобладают напряжения сжатия, поэтому при разрыве образца необходимо преодолеть эти напряжения и лишь после этого приложенные растягивающие усилия начнут оказывать действие на образец.

Химический состав также имеет влияние на величину разрывающего усилия. Оказалось, что при замещении SiO₂ окислами типа R₂O повышается прочность, причем K₂O оказывает большее влияние, чем Na₂O. Окислы типа RO повышают сопротивление растяжению; при этом на первом месте стоит CaO, за ним следует BaO и PbO. Окиси магния и цинка оказывают меньшее влияние.

Хрупкий разрыв стеклообразных веществ. Наблюдения многих исследователей при испытании стеклянных палочек на разрыв, показали, что при рассмотрении поверхности разрыва стекла часто можно заметить две области; одна из них – зеркальногладкая, а другая – шероховатая, покрытая раковистыми извилинами, идущими от зеркальногладкого участка разрыва. Прочность образцов зависит от величины зеркальногладкой части поверхности. Результаты испытаний можно свести к следующему: относительная величина зеркальногладкой части образца тем больше, чем меньше прочность стекла на растяжение.

Поэтому зеркальная часть поверхности разрыва обладает весьма малой прочностью, и чтобы получить истинные значения прочности, необходимо действующую нагрузку относить не ко всему сечению образца S, как это принято в формуле:

(1)

где: P – разрывающее усилие в кг;

S – площадь поперечного сечения разорванного образца в мм².

Таким образом, прочность на растяжение является постоянной величиной и отклонение от нее зависит только от дефектов, дающих на поверхности излома зеркальный разрыв.

2) Сопротивление сжатию

Сопротивление сжатию отожженных стеклянных образцов приблизительно в 15-16 раз выше, чем сопротивление растяжению, и в среднем составляет от 60 до 160 кг/мм².

Сопротивления сжатию и растяжению являются для стекла свойствами, приблизительно аддитивными.

Стеклообразующие окислы по влиянию их на сопротивление сжатию располагают в следующем убывающем порядке:

Al₂O₃ SiO₂, MgO, ZnO B₂O₃ Fe₂O₃ BaO, CaO, PbO, Na₂O K₂O.

Заключенные в рамки окислы приблизительно одинаково влияют на величину сопротивления сжатию.

3) Сопротивление изгибу

На величину сопротивления изгибу оказывает влияние целый ряд различных факторов. найдено, что прочность на изгиб понижается с увеличением продолжительности приложения нагрузки.

Таблица

Среднее сопротивление изгибу образцов стекла различной ширины в кг/мм²

Стекло	Ширина образца в см
Оконное	6,05	4,47
Зеркальное	4,56	3,80
Армированное	4,08	3,13

 

Состав стекла оказывает существенное влияние на величину сопротивления изгибу. Экспериментальные данные дают возможность расположить стеклообразующие окислы по влиянию на сопротивление изгибу в следующем возрастающем порядке: CaO BaO PbO ZnO MgO B₂O₃ Fe₂O₃ SiO₂ Al₂O₃.

Прочность на изгиб в лабораторных условиях определяется по формуле:

, (2)

где: W – разрушающая нагрузка в кг,

l – расстояние между опорами,

b – ширина образца,

d – толщина.

 

Модуль упругости

Модуль упругости стекла определяется путем измерения угла поворота стержня, покоящегося на двух опорах, или по величине стрелы прогиба стеклянной пластинки прямоугольного сечения.

В первом случае расчет ведут на основании данных, полученных опытным путем по следующей формуле:

(кг/мм²), (3)

где: P – нагрузка в кг,

l – расстояние между опорами в мм,

a – толщина пластинки в мм,

b – ширина пластинки в мм,

j - угол поворота.

Если же известна стрела прогиба стеклянной пластинки, то пользуются несколько видоизмененной формулой:

(кг/мм²),

где h – стрела прогиба в мм.

Для стекол различного состава величину модуля ориентировочно можно подсчитать по формуле:

где: е1, е2, е3,… еn – коэффициент для данного типа стекла;

х1, х2, х3,…хn – процентное содержание окислов.

Практическое значение модуля упругости заключается в том, что чем больше его численное значение, тем меньшую деформацию способен выдержать стеклянный образец, так как с увеличением Е соответственно возникают большие напряжения в образце. Таким образом, при постоянной деформации стекло тем прочнее, чем меньше модуль упругости.

Величина модуля упругости для наиболее ходовых стекол колеблется в пределах от 5000 до10000 кг/мм².

 

Хрупкость

Тело считается хрупким, если разрушение его наступает немедленно после перехода за предел упругости. Стекло очень хрупко при обыкновенной температуре. Предел упругости для него настолько близок к разрушающему напряжению, что закон Гука действителен с большой точностью до момента разрушения.

Под понятием «хрупкость» принято подразумевать способность данного тела ломаться при некотором превышении предела упругости. Всякое упругое тело воспринимает удар, не изменяя своей формы до тех пор, пока не будет достигнут предел упругости.

Если силой удара преодолен предел упругости, то хрупкие тела будут ломаться, тогда как тела, пластически деформируемые, например, металлы, будут еще в течение более или менее значительного времени находится в так называемой стадии «текучести», пока не перейдут границу прочности.

Тела, приближающиеся к идеально хрупким, обладают особым свойством, которое заключается в том, что пределы упругости и прочности у них совпадают. У хрупкого тела отсутствуют пластические деформации.

Таким образом, если предел упругости и предел прочности лежат весьма близко друг от друга, то такое тело почти до разрушения будет испытывать лишь упругие деформации и его принято называть хрупким.

Твердость

Твердость стекла имеет большое практическое значение, в особенности при механической обработке его, как, например, при резке, шлифовке, полировке и сверлении.

Твердость стекла принято измерять величиной поверхностной энергии, характерной для каждого вещества. Известно, что частицы тела, находящиеся в пограничном слое, испытывают одностороннее давление, направленное внутрь данного вещества. Поэтому молекулы, находящиеся в поверхностном слое, обладают некоторым избытком свободной энергии по сравнению с внутренними. Избыток потенциальной энергии, отнесенный к единице поверхности, называется поверхностной энергией, или поверхностным натяжением.

Для определения твердости стекла пользуются методом затухающих колебаний маятника, предложенным В.Д. Кузнецовым. Этот метод благодаря простоте и точности широко применяется в лабораторной практике. Метод основан на следующем принципе: если одно тело обладает поверхностной энергией Э1, а второе Э2, причем Э1>Э2, то первое тело способно царапать второе, т. е. Оно будет тверже второго. Кроме приведенного метода измерения часто пользуются шкалой твердости, по которой твердость стекол лежит в пределах 4,5 и 7,0.